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태양전지의 종류에 대한 간략한 논의

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태양전지의 종류에 대한 간략한 논의

2024-06-10

태양 에너지는 한때 첨단 우주선과 일부 고급 장치의 전유물이었지만 더 이상 그렇지 않습니다. 지난 10년 동안 태양 에너지는 틈새 에너지원에서 글로벌 에너지 환경의 주요 기둥으로 변모했습니다.

지구는 약 173,000TW의 일사량에 지속적으로 노출되어 있으며 이는 전 세계 평균 전력 수요의 10배가 넘는 수치입니다.

[1] 이는 태양 에너지가 우리의 모든 에너지 요구를 충족시킬 수 있는 능력을 가지고 있음을 의미합니다.

2023년 상반기 태양광 발전은 미국 전체 발전량의 5.77%를 차지해 2022년 4.95%에서 증가했다.

[2] 2022년에는 화석연료(주로 천연가스와 석탄)가 미국 발전량의 60.4%를 차지할 것이지만,

[3] 그러나 태양에너지의 영향력 증가와 태양에너지 기술의 급속한 발전은 주목할 만하다.

 

태양전지의 종류

 

현재 시장에는 결정질, 박막 및 신기술이라는 세 가지 주요 범주의 태양전지(광전지(PV) 전지라고도 함)가 있습니다. 이 세 가지 유형의 배터리는 효율성, 비용 및 수명 측면에서 고유한 장점을 가지고 있습니다.

 

01 크리스탈

대부분의 가정용 옥상 태양광 패널은 고순도 단결정 실리콘으로 만들어집니다. 이러한 유형의 배터리는 최근 몇 년간 26% 이상의 효율과 30년 이상의 수명을 달성했습니다.

[4] 현재 가정용 태양광 패널의 효율은 약 22%이다.

 

다결정 실리콘은 단결정 실리콘보다 가격이 저렴하지만 효율이 낮고 수명도 짧습니다. 효율성이 낮다는 것은 더 많은 패널과 더 많은 면적이 필요하다는 것을 의미합니다.

 

태양 전지 다중접합 갈륨비소(GaAs) 기술을 기반으로 하는 태양전지는 기존 태양전지보다 더 효율적입니다. 이 셀은 다층 구조로 되어 있으며, 각 층은 인듐 갈륨 인화물(GaInP), 인듐 갈륨 비소(InGaAs), 게르마늄(Ge)과 같은 서로 다른 재료를 사용하여 서로 다른 파장의 햇빛을 흡수합니다. 이러한 다중접합 전지는 높은 효율을 달성할 것으로 예상되지만 여전히 높은 제조 비용과 미성숙한 연구 개발로 인해 상업적 타당성과 실제 적용이 제한됩니다.

 

02 필름

글로벌 시장의 박막형 태양광 제품의 주류는 카드뮴텔루라이드(CdTe) 태양광 모듈이다. 전 세계적으로 수백만 개의 이러한 모듈이 설치되었으며, 최대 발전 용량은 30GW 이상입니다. 이는 주로 미국의 유틸리티 규모 발전에 사용됩니다. 공장.

 

이 박막 기술에서는 1제곱미터 크기의 태양광 모듈에 AAA 크기의 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리보다 카드뮴이 적게 포함되어 있습니다. 또한 태양광 모듈의 카드뮴은 물에 용해되지 않고 1,200°C의 높은 온도에서도 안정적으로 유지되는 텔루륨과 결합되어 있습니다. 이러한 요소는 박막 배터리에 카드뮴 텔루라이드를 사용할 때 발생하는 독성 위험을 완화합니다.

 

지각의 텔루르 함량은 0.001ppm에 불과합니다. 백금이 희귀한 원소인 것처럼 텔루르의 희귀성은 카드뮴 텔루라이드 모듈의 가격에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 재활용 관행을 통해 이 문제를 완화하는 것이 가능합니다.

카드뮴 텔루르화물 모듈의 효율성은 18.6%에 도달할 수 있으며 실험실 환경의 배터리 효율성은 22%를 초과할 수 있습니다. [5] 오랫동안 사용되어 온 구리 도핑을 대체하기 위해 비소 도핑을 사용하면 모듈 수명을 크게 향상시켜 수정 전지와 비슷한 수준에 도달할 수 있습니다.

 

03신기술

 

1 마이크론 이하의 초박막 필름과 직접 증착 기술을 활용한 태양광 기술의 등장으로 생산 비용을 절감하고 고품질의 태양전지용 반도체를 제공할 수 있을 것입니다. 이러한 기술은 실리콘, 카드뮴 텔루라이드, 갈륨 비소와 같은 기존 소재의 경쟁자가 될 것으로 예상됩니다.

 

[6] 이 분야에는 세 가지 잘 알려진 박막 기술이 있습니다. 구리 아연 주석 황화물(Cu2ZnSnS4 또는 CZTS), 아연 인화물(Zn3P2) 및 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)입니다. 실험실 환경에서 CIGS(구리 인듐 갈륨 셀레나이드) 태양 전지는 22.4%라는 놀라운 최고 효율에 도달했습니다. 그러나 이러한 효율성 수준을 상업적 규모로 재현하는 것은 여전히 ​​어려운 과제로 남아 있습니다.

납 할로겐화물 페로브스카이트 박막 전지는 새롭게 떠오르는 매력적인 태양광 기술입니다. 페로브스카이트는 화학식 ABX3의 전형적인 결정 구조를 갖는 물질의 일종입니다. 황색, 갈색 또는 흑색의 광물로 티탄산칼슘(CaTiO3)이 주성분입니다. 영국 옥스퍼드 PV(Oxford PV)가 생산한 상업용 규모의 실리콘 기반 페로브스카이트 직렬형 태양전지는 28.6%라는 기록적인 효율을 달성했으며 올해 생산에 들어갈 예정이다.

페로브스카이트 태양전지는 불과 몇 년 만에 기존 카드뮴 텔루라이드 박막전지와 비슷한 효율을 달성했다. 페로브스카이트 전지의 초기 연구개발에서는 수명이 수개월밖에 계산할 수 없을 정도로 짧은 것이 큰 문제였다.

오늘날 페로브스카이트 전지의 수명은 25년 이상입니다. 현재 페로브스카이트 태양전지의 장점은 높은 변환 효율(25% 이상), 낮은 생산 비용, 생산 공정에 필요한 낮은 온도 등이다.

 

통합형 태양광 패널 구축

 

일부 태양전지는 가시광선은 통과시키면서 태양광 스펙트럼의 일부만 포착하도록 설계되었습니다. 이러한 투명 셀을 염료감응형 태양전지(DSC)라고 하며 1991년 스위스에서 탄생했습니다. 최근 몇 년간 새로운 R&D 결과로 DSC의 효율성이 향상되었으며, 이러한 태양광 패널이 시장에 출시되기까지는 그리 오랜 시간이 걸리지 않을 수 있습니다.

 

일부 회사에서는 유리의 폴리카보네이트 층에 무기 나노입자를 주입합니다. 이 기술의 나노입자는 스펙트럼의 특정 부분을 유리 가장자리로 이동시켜 대부분의 스펙트럼이 통과할 수 있도록 합니다. 유리 가장자리에 집중된 빛은 태양전지에 의해 활용됩니다. 또한, 투명 태양광창이나 건물 외벽 등에 페로브스카이트 박막 소재를 적용하는 기술도 연구 중이다.

 

태양에너지에 필요한 원자재

태양광 발전량을 늘리기 위해 실리콘, 은, 구리, 알루미늄 등 중요 원자재 채굴 수요도 늘어날 것이다. 미국 에너지부는 전 세계 금속 등급 실리콘(MGS)의 약 12%가 태양광 패널용 폴리실리콘으로 가공된다고 밝혔습니다.

 

중국은 이 분야의 주요 플레이어로, 2020년 전 세계 MGS의 약 70%, 폴리실리콘 공급의 77%를 생산합니다.

 

실리콘을 폴리실리콘으로 변환하는 과정에는 매우 높은 온도가 필요합니다. 중국에서는 이러한 공정에 필요한 에너지가 주로 석탄에서 나옵니다. 신장은 석탄 자원이 풍부하고 전기 비용이 저렴하며, 폴리실리콘 생산량은 전 세계 생산량의 45%를 차지합니다.

 

[12] 태양광 패널 생산에는 전 세계 은의 약 10%가 소비됩니다. 은 채굴은 주로 멕시코, 중국, 페루, 칠레, 호주, 러시아, 폴란드에서 발생하며 중금속 오염, 지역 사회 강제 이주 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.

 

구리 및 알루미늄 채굴 역시 토지 이용 문제를 야기합니다. 미국 지질조사국(US Geological Survey)에 따르면 칠레는 전 세계 구리 생산량의 27%를 차지하고 페루(10%), 중국(8%), 콩고민주공화국(8%)이 그 뒤를 따릅니다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 전 세계 재생에너지 사용량이 100%에 도달하면 태양광 프로젝트에서 구리 수요가 거의 3배가 될 것이라고 믿고 있습니다.

[13]결론

 

언젠가 태양 에너지가 우리의 주요 에너지원이 될까요? 태양에너지 가격은 하락하고 효율은 향상되고 있다. 그동안 선택할 수 있는 다양한 태양광 기술 경로가 있습니다. 언제 한두 가지 기술을 식별하고 실제로 작동하게 만들까요? 태양 에너지를 그리드에 통합하는 방법은 무엇입니까?

 

특수 에너지에서 주류 에너지로의 진화는 태양 에너지가 우리의 에너지 요구를 충족하고 초과할 수 있는 잠재력을 강조합니다. 현재 결정질 태양전지가 시장을 지배하고 있지만, 박막 기술의 발전과 카드뮴 텔루라이드, 페로브스카이트 같은 신기술이 더욱 효율적이고 통합된 태양광 응용 분야를 위한 길을 열어주고 있습니다. 태양에너지는 여전히 원자재 채굴로 인한 환경적 영향, 생산 병목 현상 등 많은 과제에 직면해 있지만 결국 빠르게 성장하고 혁신적이며 유망한 산업입니다.

 

기술 발전과 지속 가능한 관행의 올바른 균형을 통해 태양 에너지의 성장과 발전은 보다 깨끗하고 풍부한 에너지 미래를 위한 길을 열어줄 것입니다. 이로 인해 미국 에너지 믹스에서 상당한 성장을 보일 것이며 글로벌 지속 가능한 솔루션이 될 것으로 예상됩니다.