태양전지

Solar cell
태양 표면의 대류세포는 그란울레(태양물리학)를 참조한다.
참고 항목:광전학
기존의 결정 실리콘 태양전지(2005년 기준)버스바(더 큰 은색 스트립)와 손가락(더 작은 것)으로 만들어진 전기 접점이 실리콘웨이퍼에 인쇄되어 있다.
태양광 셀의 기호.

태양전지, 즉 광전지는 광전지에 의해 빛의 에너지를 직접 전기로 변환하는 전기 소자로, 물리 화학적 현상이다.[1]광전지의 일종으로, 빛에 노출되면 전류, 전압, 저항 등 전기적 특성이 달라지는 장치로 정의된다.개별 태양전지 장치는 흔히 태양 전지판이라고 하는 구어체로 알려진 태양광 모듈의 전기 구성 요소다.일반적인 단일 접합 실리콘 태양전지는 약 0.5~0.6V의 최대 개방 회로 전압을 생성할 수 있다.[2]

태양 전지는 광원이 햇빛인지 인공 빛인지에 관계없이 광전지로 묘사된다.에너지 생성 외에 광검출기(예: 적외선 검출기)로 사용할 수 있으며, 가시 범위 부근에 있는 빛이나 기타 전자기 방사선을 탐지하거나 광도를 측정할 수 있다.

광전지(PV)의 작동에는 다음과 같은 세 가지 기본속성이 필요하다.

  • 빛의 흡수, 전자 구멍 쌍이나 엑시톤을 생성한다.
  • 서로 다른 유형의 충전 캐리어 분리.
  • 이러한 캐리어를 외부 회로에 분리 추출.

이와는 대조적으로 태양열 집열기는 태양열을 흡수하여 열을 공급하는데, 이는 열로부터 직접 가열하거나 간접적으로 전기를 발생시키는 것을 목적으로 한다.반면 '광전자전지'(사진전자화학전지)는 광전지의 일종(에드몬드 베크렐과 현대의 염료감응형 태양전지)이나 태양 조명만을 이용해 물을 수소와 산소로 직접 분열시키는 장치를 말한다.

광전지와 태양열 집열기는 태양열을 생산하는 두 가지 수단이다.

적용들

태양 전지로부터 PV 시스템으로.태양광 발전 시스템의 가능한 구성 요소 다이어그램

태양전지 조립체는 태양열 모듈이나 태양열 온수 패널과 구별되는 태양열 모듈을 태양열 모듈로 만들기 위해 사용된다.태양열은 태양에너지를 이용하여 태양열을 발생시킨다.

셀, 모듈, 패널 및 시스템

주요 기사:광전계통

한 평면에 모두 지향하는 통합 그룹 내의 여러 개의 태양 전지는 태양 광전지 패널 또는 모듈을 구성한다.태양광 모듈은 햇빛을 마주보는 쪽에 유리판이 있어 반도체 웨이퍼를 보호하면서 빛이 통과할 수 있는 경우가 많다.태양 전지는 대개 직렬로 연결되어 부가 전압을 생성한다.셀을 병렬로 연결하면 전류가 높아진다.

그러나 섀도 효과와 같이 병렬로 연결된 셀의 문제는 더 약한 (조명이 덜 된) 병렬 문자열(일수의 직렬 연결 셀)을 차단하여 상당한 전력 손실을 유발할 수 있으며, 조명 파트너에 의해 섀도 셀에 적용되는 역방향 바이어스 때문에 손상될 수 있다.[citation needed]

모듈은 원하는 피크 DC 전압과 로딩 전류 용량을 가진 어레이를 만들기 위해 상호 연결될 수 있지만, 이는 독립 MPPT(최대 전력 지점 추적기)를 사용하거나 사용하지 않고 또는 각 모듈에 특정하며 마이크로인버터 또는 DC-DC 최적화기와 같은 모듈 레벨의 전자식(MLPE) 유닛을 사용하거나 사용하지 않고 수행할 수 있다.션트 다이오드는 직렬/병렬로 연결된 셀이 있는 배열에서 그림자 전원 손실을 줄일 수 있다.

선택된 국가에서 2013년 PV 시스템 가격(US$/W)
호주. 중국 프랑스. 독일. 이탈리아 일본. 영국 미국
주거용 1.8 1.5 4.1 2.4 2.8 4.2 2.8 4.9
상업적 1.7 1.4 2.7 1.8 1.9 3.6 2.4 4.5
효용 척도 2.0 1.4 2.2 1.4 1.5 2.9 1.9 3.3
출처: IEA – 기술 로드맵: 태양광 발전 에너지 보고서, 2014년판[3]: 15
참고: DOE – Philotive System Pricing Trends는 미국의 가격을 낮춘다고 보고한다.[4]

2020년까지 미국의 전력계 규모 시스템의 와트당 비용은 94달러로 떨어졌다.[5]

역사

주요 기사:태양전지 연표
참고 항목: § 태양전지 연구

광전 효과는 프랑스 물리학자 에드몽 베크렐이 먼저 실험적으로 입증했다.1839년, 19세의 나이에, 그는 아버지의 실험실에 세계 최초의 광전지를 건설했다.윌로비 스미스는 1873년 2월 20일자 네이처지에서 "전류가 흐르는 동안 셀레늄에 미치는 빛의 영향"을 처음 설명했다.1883년 찰스 프리츠는 반도체 셀레늄을 얇은 금층으로 코팅하여 접합부를 형성함으로써 최초의 고체 상태의 광전지를 만들었다. 이 장치는 겨우 1%의 효율에 불과했다.다른 이정표에는 다음이 포함된다.

공간 응용 프로그램

참고 항목: 우주 기반 태양열 발전
NASA는 처음부터 우주선에 태양 전지를 사용했다.예를 들어, 1959년에 발사된 탐색기 6은 궤도에서 한번 접힌 네 개의 배열을 가지고 있었다.그들은 우주에서 몇 달 동안 전력을 공급했다.

태양 전지는 1958년 뱅가드 인공위성에 제안되어 1차 배터리 전원의 대체 전원으로 비행되었을 때 두드러진 응용 분야에서 처음 사용되었다.신체의 외부에 세포를 추가함으로써 우주선이나 그 동력 시스템에 큰 변화 없이 임무 시간을 연장할 수 있었다.1959년 미국은 인공위성에서 흔히 볼 수 있는 날개 모양의 대형 태양열 어레이를 갖춘 익스플로러 6을 발사했다.이 배열들은 9600개의 호프만 태양 전지로 구성되었다.

1960년대까지 태양 전지는 지구 궤도를 도는 대부분의 위성의 주요 동력원이었으며, 무게 대비 전력 비율이 가장 높았기 때문에 태양계에 대한 다수의 탐사선이 되었다.그러나 이러한 성공은 우주 애플리케이션에서 전력 시스템 비용이 높을 수 있기 때문에 가능했는데, 이는 우주 사용자들이 다른 전력 옵션을 거의 가지고 있지 않았기 때문이며, 가능한 최상의 셀을 위해 기꺼이 비용을 지불하려고 했기 때문이다.우주 전력 시장은 국립 과학 재단 "국가 니즈에 적용된 연구" 프로그램이 지상 응용용 태양 전지 개발을 추진하기 시작할 때까지 태양 전지의 더 높은 효율성의 개발을 촉진시켰다.

1990년대 초 우주 태양 전지에 사용된 기술은 지상 패널에 사용되는 실리콘 기술에서 분리되었고, 우주선 응용은 갈륨 비소 기반 III-V 반도체 물질로 바뀌었고, 이후 우주선에 사용되는 현대적인 III-V 다기능 광전지로 진화되었다.

최근 몇 년 동안, 연구는 가볍고 유연하며 효율이 높은 태양 전지를 설계하고 제조하는 방향으로 이동했다.지상 태양전지 기술은 일반적으로 강도와 보호를 위해 유리층으로 적층된 광전지를 사용한다.태양 전지를 위한 우주 애플리케이션은 전지와 배열이 매우 효율적이고 매우 가볍다는 것을 요구한다.인공위성에 구현된 몇몇 새로운 기술은 태양 에너지의 더 넓은 스펙트럼을 활용하기 위해 다양한 밴드랩을 가진 서로 다른 PN 접합부로 구성되어 있는 다중접합 광전지다.또한, 대형 위성은 전기를 생산하기 위해 대형 태양열 어레이를 사용해야 한다.위성이 궤도에 주입되기 전에 위성이 이동하는 발사체의 기하학적 제약조건에 맞도록 이러한 태양열 배열을 분해해야 한다.역사적으로 위성 위의 태양 전지는 여러 개의 작은 지상 패널로 이루어져 있었다.위성이 궤도에 배치되면 이 작은 패널들은 큰 패널로 펼쳐질 것이다.새로운 인공위성은 매우 가볍고 아주 작은 부피로 포장할 수 있는 유연한 롤러블 태양열 어레이를 사용하는 것을 목표로 한다.이 유연한 배열의 작은 크기와 무게는 발사체의 탑재 중량과 발사 비용 사이의 직접적인 관계 때문에 위성 발사 비용을 크게 줄인다.[17]

2020년 미국 해군연구소는 보잉 X-37기에 탑재된 태양광 발전용 태양광 모듈(PRAM) 실험을 위성에서 처음 실시했다.[18][19]

개선된 제조 방법

1960년대에 걸쳐 점진적인 개선이 이루어졌다.이것은 또한 비용이 높은 이유였는데, 우주 사용자들이 가장 좋은 세포에 기꺼이 돈을 지불하고, 더 저렴하고 덜 효율적인 솔루션에 투자할 이유가 없었기 때문이다.그 가격은 주로 반도체 산업에 의해 결정되었다; 1960년대에 그들이 집적회로로의 이동으로 인해 상대적으로 낮은 가격에 더 큰 불들을 이용할 수 있게 되었다.그들의 가격이 떨어지자, 결과 세포들의 가격도 역시 떨어졌다.이러한 영향으로 1971년 세포 비용은 와트당 100달러로 낮아졌다.[20]

1969년 말 엘리엇 버먼은 향후 30년간 사업을 추진하던 엑손의 태스크포스(TF)에 합류했고 1973년 4월 당시 엑손의 100% 자회사인 태양열발전주식회사(SPC)를 설립했다.[21][22][23]이 단체는 2000년까지 전력이 훨씬 더 비쌀 것이라고 결론지었고, 이러한 가격 상승이 대체 에너지원을 더 매력적으로 만들 것이라고 생각했다.그는 시장 조사를 실시했고 와트당 약 20달러의 가격이 상당한 수요를 창출할 것이라고 결론지었다.[21]연구팀은 거칠어진 웨이퍼 표면에 의지해 웨이퍼를 연마하고 반반사 층으로 코팅하는 단계를 없앴다.연구팀은 또 우주 응용에 사용되는 값비싼 재료와 손배선을 후면에는 인쇄회로기판, 전면에는 아크릴 플라스틱, 둘 사이에는 실리콘 접착제로 교체해 세포를 '포팅'했다.[24]태양 전지는 전자제품 시장에서 나오는 방출 물질을 사용하여 만들어질 수 있다.1973년까지 그들은 제품을 발표했고 SPC는 Tideland Signal을 설득하여 처음에는 미국 해안 경비대를 위해 그것의 패널들을 항행 부표에 동력을 공급하도록 했다.[22]

연구 및 산업생산

1969년부터 1977년까지 진행된 '국가 니즈에 적용된 연구' 프로그램 내에서 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 첨단 태양광 연구개발과 함께 지상용 태양광 발전 연구가 두드러지게 되었고,[25] 지상 전력 시스템용 태양광 발전 개발에 대한 연구에 자금을 지원하였다.1973년 컨퍼런스인 "Cherry Hill Conference"는 이 목표를 달성하는 데 필요한 기술 목표를 제시하고 이를 달성하기 위한 야심찬 프로젝트의 개요를 설명하면서, 수십 년 동안 계속될 응용 연구 프로그램에 시동을 걸었다.[26]이 프로그램은 결국 에너지연구개발청(ERDA)에 의해 인수되었고,[27] 이후 미국 에너지부로 통합되었다.

1973년 석유 파동 이후 석유회사들은 더 높은 수익을 사용하여 태양열 회사를 설립(또는 매입)했고 수십 년 동안 가장 큰 생산국이었다.엑손, ARCO, 쉘, 아모코(BP가 매입한 후), 모빌은 1970년대와 1980년대에 모두 주요 태양 분열을 가지고 있었다.제너럴일렉트릭, 모토로라, IBM, 타이코, RCA 등 기술 기업들도 참여했다.[28]

1977년 이후 재래식(c-Si) 태양전지의 와트당 가격
Swanson의 법칙 – 태양열 PV의 학습 곡선
태양광 발전 – 전 세계적으로 설치된 총 PV 용량

비용 감소 및 기하급수적인 성장

인플레이션에 적응하기 위해 1970년대 중반 태양열 모듈의 와트당 96달러가 들었다.공정 개선과 매우 큰 생산량 증가로 인해 이 수치는 2018년에는 와트당 30ℓ로 99% 이상 감소했으며[29] 2020년에는 와트당 20ℓ로 낮아졌다.[30] 스완슨의 법칙은 산업용량이 두 배로 늘어날 때마다 태양전지 가격이 20% 하락한다는 무어의 법칙과 비슷한 관측이다.2012년 말 영국 주간지 이코노미스트의 기사에 실렸다.[31]당시 시스템 비용 잔액은 패널보다 높았다.대형 상업용 어레이는 2018년 현재 와트당 1.00달러 미만으로 건설될 수 있으며 완전하게 위탁될 수 있다.[5]

반도체 산업이 점점 더 큰 불씨로 옮겨가면서 오래된 장비는 비싸지 않게 되었다.잉여 시장에서 장비가 보급되면서 셀 크기는 커졌고, ARCO 솔라사의 기존 패널은 직경 2~4인치(50~100mm)의 셀을 사용했다.1990년대와 2000년대 초반의 패널은 일반적으로 125mm 웨이퍼를 사용했으며, 2008년 이후 거의 모든 새로운 패널은 156mm 셀을 사용한다.1990년대 후반과 2000년대 초반에 평면 스크린 텔레비전이 널리 보급되면서 패널들을 덮을 수 있는 대형 고품질 유리 시트가 널리 보급되었다.

1990년대에 폴리실리콘(poly) 세포는 점점 인기를 끌었다.이 세포들은 모노실리콘("모노")에 비해 효율성은 떨어지지만, 비용을 절감하는 큰 통에서 자란다.2000년대 중반까지 저가 패널 시장에서는 폴리 소재가 우세했지만 최근에는 모노가 널리 사용되기 시작했다.

웨이퍼 기반 셀 제조업체들은 2004-2008년 실리콘 소비량의 급격한 감소로 높은 실리콘 가격에 대응했다.2008년 IMEC 유기태양광부 제프 푸르트만스 이사에 따르면 현재 전지는 발전량 와트당 8~9g(0.28~0.32온스)의 실리콘을 사용하며 웨이퍼 두께는 200미크론 가까이 된다.결정 실리콘 패널은 세계 시장을 장악하고 있으며 대부분 중국과 대만에서 생산된다.2011년 말, 유럽의 수요 감소는 2010년에 비해 와트당 약 1.09달러까지[32] 떨어졌다.2012년에도 계속 하락해 4분기에는 와트당 0.62달러에 달했다.[33]

태양열 PV는 아시아에서 가장 빠르게 성장하고 있으며 현재 중국과 일본이 전 세계 배치의 절반을 차지하고 있다.[34]글로벌 설치 PV 용량은 2016년 최소 301기가와트에 달했고, 2016년까지 전 세계 전력의 1.3%를 공급할 정도로 성장했다.[35]

실리콘 태양 전지의 에너지 부피와 인간이 달러당 사용하는 석유; 몇몇 주요 전기 발전 기술의 탄소 강도.[36]

PV에서 나오는 전기는 유럽 전역의 도매 전기 요금으로 경쟁력이 있으며, 결정 실리콘 모듈의 에너지 회수 시간은 2020년까지 0.5년 미만으로 단축될 수 있을 것으로 예상되었다.[37]

2010년(태양광과 바람이 전 세계 전력생산의 1.7%를 차지하는 시기)과 2021년(전 세계 전력생산의 8.7%)[38] 사이에 태양광 발전 전력비가 최대 85% 하락하는 등 비용 하락은 재생에너지 급성장 요인 중 하나로 꼽힌다.2019년 태양전지는 전 세계 전력생산의 약 3%를 차지했다.[39]

보조금 및 그리드 패리티

태양광 전용 공급 관세는 국가별, 국가별로 차이가 있다.이런 관세는 태양광 발전 사업의 발전을 촉진한다.광전력이 보조금 없이 그리드 전력과 같거나 저렴한 지점인 광범위한 그리드 패리티는 세 가지 전선에서 모두 발전을 필요로 할 가능성이 있다.태양열 지지자들은 캘리포니아와 일본처럼 태양열이 풍부하고 전기 비용이 높은 지역에서 먼저 그리드 패리티를 달성하기를 희망한다.[40]2007년에 BP는 전기를 생산하기 위해 디젤 연료를 사용하는 하와이와 다른 섬들의 그리드 패리티를 주장했다.조지 W. 부시는 2015년을 미국의 그리드 패리티 날짜로 설정했다.[41][42]태양광 발전 협회는 2012년 호주가 그리드 패리티(관세 공급 중단)에 도달했다고 보고했다.[43]

태양광 패널 가격은 40년 동안 꾸준히 하락해 2004년 독일의 높은 보조금 지급으로 수요가 크게 늘고 정제 실리콘(태양광 패널뿐 아니라 컴퓨터 칩에도 사용된다) 가격이 크게 오르면서 중단됐다.2008년의 불황과 중국 제조업의 시작은 가격 하락을 재개하게 했다.2008년 1월 이후 4년 동안 독일의 태양광 모듈 가격은 피크 와트당 3유로에서 1유로까지 떨어졌다.같은 기간 동안 생산능력은 50% 이상의 연간 성장률을 보이며 급증했다.중국은 2008년 8%에서 2010년 44분기 55% 이상으로 시장 점유율을 높였다.[44]2012년 12월 중국 태양광 패널 가격은 0.60/Wp(크리스탈린 모듈)까지 떨어졌다.[45](약어 Wp는 와트 피크 용량, 또는 최적 조건에서의 최대 용량을 의미한다.)[46]

2016년 말 현재 조립된 태양전지 패널(전지가 아닌)의 현물 가격이 0.36/Wp로 사상 최저 수준으로 떨어진 것으로 알려졌다.두 번째로 큰 공급업체인 캐나다 솔라사는 2016년 3분기 0.37달러/Wp의 원가를 발표해 전 분기 대비 0.02달러 하락했고, 따라서 적어도 고른 수준이었을 것이다.많은 제작자들은 2017년 말까지 비용이 0.30달러까지 떨어질 것으로 예상했다.[47]또 일부 지역의 석탄 기반 화력발전소보다 태양광 신규설치가 저렴하다는 소식도 전해졌고, 10년 내 세계 대부분 지역에서 그럴 것으로 예상됐다.[48]

이론

태양 전지에 의한 전하 수집 도식.빛은 투명 전도 전극을 통해 전달되며 전자 구멍 쌍을 생성하며, 두 전극이 모두 이 쌍을 모은다.[49]
태양전지의 작동 메커니즘
주요 기사:태양전지론

태양 전지는 다음과 같은 여러 단계로 작동한다.

  • 햇빛에 비친 광자는 태양 전지판에 부딪혀 도핑 실리콘과 같은 반도체 물질에 흡수된다.
  • 전자는 현재의 분자/원자 궤도로부터 흥분된다.일단 흥분하면, 전자는 열로써 에너지를 발산하고 궤도상으로 돌아가거나 전극에 도달할 때까지 셀을 통해 이동할 수 있다.전류가 물질을 통해 흘러 전위를 취소하고 이 전기를 포착한다.물질의 화학적 결합은 이 공정이 작용하기 위해 필수적이며, 보통 실리콘은 두 개의 층으로 사용되는데, 한 층은 붕소로 도핑되고 다른 층은 인으로 도핑된다.이 층들은 서로 다른 화학적 전하를 가지고 있고, 그 후에 전자의 전류를 구동하고 유도한다.[1]
  • 태양 전지의 배열은 태양 에너지를 가용한 직류(DC) 전기로 변환한다.
  • 인버터는 전력을 교류(AC)로 변환할 수 있다.

가장 일반적으로 알려진 태양전지는 실리콘으로 만들어진 대면적 p-n 접합부로 구성된다.다른 가능한 태양 전지 유형으로는 유기 태양 전지, 염료 감응 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 양자 점 태양 전지 등이 있다.태양전지의 조명이 들어오는 측면에는 일반적으로 빛이 활성 물질로 들어갈 수 있도록 하고 생성된 충전 캐리어를 수집할 수 있는 투명한 전도성 필름이 있다.전형적으로 인듐 주석 산화물, 폴리머 전도, 나노와이어 네트워크 전도 등 투과율이 높고 전기 전도성이 높은 필름을 그 목적으로 사용한다.[49]

효율성

태양 전지의 이론적 최대 효율을 위한 쇼클리-퀴서 한계.밴드 간극이 1~1.5eV(827nm~1240nm, 근적외선)인 반도체는 효율적인 단일접합 셀을 형성할 수 있는 잠재력이 가장 크다.(여기 보이는 효율 '한계'는 다작동 태양전지로도 초과할 수 있다.)
주요 기사:태양전지 효율

태양전지 효율은 반사 효율, 열역학적 효율성, 충전 캐리어 분리 효율 및 전도 효율로 세분될 수 있다.전체적인 효율성은 이러한 개별 지표의 산물이다.

태양 전지의 전력 변환 효율은 전기로 변환되는 입사 전력의 비율로 정의되는 매개변수다.[50]

태양전지는 전압 의존 효율 곡선, 온도 계수, 허용 가능한 그림자 각도를 가지고 있다.

이러한 파라미터를 직접 측정하기 어렵기 때문에 열역학적 효율성, 양자 효율성, 통합 양자 효율성, VOC 비율, 충진율 등 다른 파라미터를 대체한다.반사손실은 "외부 양자효율성"에서 양자효율성의 일부분이다.재결합 손실은 양자 효율, VOC 비율, 채우기 계수의 또 다른 부분을 차지한다.저항성 손실은 주로 충진율에 따라 분류되지만 양자 효율의 작은 부분인 V 비율도OC 차지한다.

충전 계수는 개방 회로 전압 및 단락 전류의 산물에 대한 실제 최대 획득 가능 전력의 비율이다.이것은 성과를 평가하는 데 있어 중요한 변수다.2009년에 일반적인 상업용 태양전지는 충만계수가 0.70 이하였다.B등급 세포는 보통 0.4에서 0.7 사이였다.[51]채우기 계수가 높은 셀은 등가 직렬 저항이 낮고 등가 션트 저항이 높기 때문에 셀에서 발생하는 전류는 내부 손실로 소산되는 양이 적다.

단일 p-n 접합 결정 실리콘 장치는 현재 이론적 제한 전력 효율 33.16%[52]에 근접하고 있으며, 1961년 쇼클리-퀴서 한계로 기록되었다.극단적으로 층수가 무한대인 경우 집중된 햇빛을 이용해 86%에 해당하는 한계가 있다.[53]

2014년에는 3개 회사가 실리콘 태양전지 25.6%라는 기록을 깼다.파나소닉이 가장 효율적이었다.회사는 앞쪽 접점을 패널 뒤쪽으로 옮겨 그늘진 부분을 없앴다.또한 얇은 실리콘 필름을 (고품질 실리콘) 웨이퍼의 앞뒷면에 도포해 웨이퍼 표면이나 그 부근의 결함을 제거했다.[54]

In 2015, a 4-junction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs solar cell achieved a new laboratory record efficiency of 46.1% (concentration ratio of sunlight = 312) in a French-German collaboration between the Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE), CEA-LETI and SOITEC.[55]

2015년 9월 프라운호퍼 ISE는 상피 웨이퍼 셀의 20% 이상의 효율을 달성했다고 발표했다.대기압 화학증기증착(APCVD) 인라인 생산 체인의 최적화를 위한 작업은 프라운호퍼 ISE에서 분사해 생산한 넥스워프 GmbH와 협업해 이뤄졌다.[56][57]

3중접합 박막 태양전지의 경우 2015년 6월을 기준으로 한 세계기록이 13.6%이다.[58]

프라운호퍼 ISE 연구진은 2016년 2개 단자가 농도 없이 30.2%의 효율을 내는 '가인P/GaAs/Si 3중접합 태양전지'를 발표했다.[59]

2017년 국립신재생에너지연구소(NREL), EPFL, CSEM(스위처랜드) 연구팀이 이중접속 GaInP/GaAs 태양전지 소자에 대해 1일절 효율이 32.8%로 기록됐다고 발표했다.또한 이중접속장치는 기계적으로 Si 태양전지를 적층해 3중접속 태양전지의 1일효율을 35.9%로 기록적으로 달성했다.[60]

추가 정보:태양전지 연표
태양전지 에너지 전환 효율성 연구 시간표 보고(국립 재생에너지 연구소)

자재

1990년 이후 PV 기술에 의한 연간 생산량에서 전 세계 시장 점유율

태양 전지는 일반적으로 반도체 물질로 만들어진 이름을 따서 명명된다.이러한 물질들은 햇빛을 흡수하기 위해서는 특정한 특성을 가지고 있어야 한다.어떤 세포들은 지구 표면에 도달하는 햇빛을 다루도록 설계되어 있는 반면, 다른 세포들은 우주에서 사용하도록 최적화되어 있다.태양전지는 한 층의 빛 흡수 물질로 만들 수도 있고, 여러 개의 물리적 구성(다중 결합)을 사용하여 다양한 흡수 및 전하 분리 메커니즘을 이용할 수도 있다.

태양전지는 1세대, 2세대, 3세대 전지로 분류할 수 있다.재래식, 재래식 또는 웨이퍼 기반 셀이라고도 불리는 1세대 셀은 폴리실리콘과 단결정 실리콘과 같은 재료를 포함하는 상업적으로 지배적인 PV 기술인 결정 실리콘으로 만들어졌다.2세대 전지는 박막 태양전지로, 무정형 실리콘, CdTe, CIGS 전지를 포함하고 있으며, 전력계 규모의 태양광발전소, 집적형 태양광발전소 또는 소규모 독립형 전력시스템에서 상업적으로 중요하다.제3세대 태양 전지는 흔히 신흥 태양광 발전으로 묘사되는 많은 박막 기술을 포함한다. 이들 중 대부분은 아직 상업적으로 적용되지 않았고 아직 연구 또는 개발 단계에 있다.많은 사람들은 무기물뿐만 아니라 유기농 물질, 종종 유기농 화합물을 사용한다.효율성이 낮았고 흡수기 재료의 안정성이 상업적 용도에 비해 너무 짧은 경우가 많았지만, 이러한 기술들은 저비용 고효율 태양전지 생산이라는 목표를 달성할 것을 약속하고 있기 때문에 이러한 기술에 대한 연구가 있다.[citation needed]

결정 실리콘

주요 기사:결정 실리콘

지금까지 태양 전지의 가장 보편적인 벌크 물질은 결정 실리콘(c-Si)으로, "태양 등급 실리콘"[citation needed]으로도 알려져 있다.벌크 실리콘은 잉곳, 리본 또는 웨이퍼에서 결정성 및 결정 크기에 따라 여러 범주로 구분된다.이 세포들은 전적으로 p-n 접합 개념에 기초한다.c-Si로 만들어진 태양 전지는 160~240마이크로미터 두께의 웨이퍼로 만들어진다.

모노크리스탈린실리콘

주요 기사:모노크리스탈린실리콘
시온의 지붕, 보닛, 외피의 큰 부분에는 고효율의 단결정 실리콘 셀이 장착되어 있다.

모노크리스탈린실리콘(mono-Si) 태양전지는 멀티 크리스털 구성보다 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 단결정 구성이 특징이다.결과적으로, 단결정 태양 전지판은 다중 결정 태양 전지판보다 더 높은 효율을 제공한다.[61]웨이퍼 재료는 원통형 주괴로 잘라서 세포의 모서리가 8각형처럼 잘려 보인다. 이는 일반적으로 Czochralski 공정에 의해 자란다.모노시 전지를 사용한 태양 전지 패널은 작은 흰색 다이아몬드의 독특한 패턴을 보여준다.

상피 실리콘 개발

결정 실리콘의 상피성 웨이퍼는 화학증기 증착(CVD)에 의해 모노크리스탈린 실리콘 "씨드" 웨이퍼에서 재배한 후 손으로 조작할 수 있는 일부 표준 두께(예: 250µm)의 자급 웨이퍼로 분리되어 모노크리스탈린 실리콘괴에서 절단된 웨이퍼 셀을 직접 대체할 수 있다.이 "무궤도" 기술로 만들어진 태양 전지는 웨이퍼 절단 셀에 접근하는 효율을 가질 수 있지만 고투과 인라인 공정에서 대기압에서 CVD를 수행할 수 있다면 상당히 낮은 비용으로 효율을 얻을 수 있다.[56][57]상피성 웨이퍼의 표면은 광 흡수를 강화하기 위해 질감을 가질 수 있다.[62][63]

2015년 6월 n형 단결정 실리콘 웨이퍼에서 성장한 이질결합 태양전지가 총 세포면적 243.4cm 에서 22.5%의 효율에 도달했다는 보고가 있었다[64]

다결정 실리콘

주요 기사:다결정 실리콘

다결정 실리콘 또는 다결정 실리콘(멀티-Si) 셀은 주물 사각형괴로 만들어지는데, 이는 용해된 실리콘의 큰 블록이다.그것들은 재료의 전형적인 금속 플레이크 효과를 주는 작은 결정으로 구성되어 있다.폴리실리콘 셀은 태양광 발전에서 가장 많이 사용되는 유형이며, 단결정 실리콘으로 만든 셀보다 비용이 적게 들지만 효율도 떨어진다.

리본 실리콘

리본 실리콘은 폴리크리스탈린 실리콘의 일종으로, 용해된 실리콘에서 평평한 얇은 막들을 끌어내어 형성되며, 결과적으로 폴리크리스탈린 구조가 된다.이러한 셀들은 실리콘 폐기물이 크게 감소하기 때문에, 이 접근방식은 주괴로부터 톱질을 하지 않아도 되기 때문에, 멀티-Si보다 만드는 것이 더 싸다.[65]하지만, 그것들은 또한 덜 효율적이다.

모노 유사 멀티 실리콘(MLM)

이 형태는 2000년대에 개발되어 2009년경에 상업적으로 도입되었다.캐스트-모노라고도 불리는 이 디자인은 모노 소재의 작은 "씨드"가 있는 다결정 주물실을 사용한다.결과는 외부를 중심으로 폴리크리스탈린인 벌크 모노와 같은 소재다.가공용으로 얇게 썰면 내부는 고효율 모노 유사 셀(단, "클립" 대신 사각형)인 반면, 외측 가장자리는 기존의 폴리(poly)로 판매된다.이 생산방법은 폴리 같은 가격에 모노처럼 생긴 세포가 된다.[66]

박막

주요 기사:박막 태양전지

박막 기술은 세포의 활성 물질의 양을 줄인다.대부분의 디자인은 두 개의 유리판 사이에 있는 샌드위치 활성 물질이다.실리콘 태양열 패널은 유리 한 장만 사용하기 때문에 생태학적 영향(생애주기 분석으로 결정)은 작지만 박막 패널은 결정체 실리콘 패널보다 약 2배 정도 무겁다.[67][68]

텔루라이드 카드뮴

주요기사 : 카드뮴 텔루라이드 광전소학

카드뮴 텔루라이드는 지금까지 원가와 와트의 결정 실리콘과 경쟁하는 유일한 박막 소재다.그러나 카드뮴은 독성이 강하고 텔루륨(음이온: 텔루라이드) 공급은 제한적이다.세포에 존재하는 카드뮴은 방출되면 독성이 있을 것이다.그러나, 셀의 정상적인 작동 중에는 방출이 불가능하며 주택용 지붕에서의 화재 중에는 방출될 가능성이 낮다.[69]1제곱미터의 CdTe는 단일 C세포 니켈-카드뮴 배터리와 거의 동일한 양의 Cd를 더 안정적이고 덜 용해성 형태로 함유하고 있다.[69]

구리인듐갈륨셀레나이드

주요 기사:구리인듐갈륨셀레나이드태양전지

구리 인듐 갈륨 셀레니드(CIGS)는 직접 밴드 갭 소재다.상업적으로 중요한 모든 박막 소재 중에서 가장 높은 효율(~20%)을 가지고 있다(CIGS 태양전지 참조).전통적인 제조 방법은 공동 진화와 가래침을 포함한 진공 과정을 포함한다.IBM과 Nanosolar의 최근 개발은 비진공 솔루션 프로세스를 사용하여 비용을 낮추려고 시도한다.[70]

실리콘 박막

실리콘 박막 전지는 주로 실레인과 수소 가스의 화학증기 증착(일반적으로 플라즈마 강화, PE-CVD)에 의해 침전된다.증착 파라미터에 따라 아모르퍼스 실리콘(a-Si 또는 a-Si:H), 프로토크리스탈린 실리콘 또는 나노크리스탈린 실리콘(nc-Si 또는 nc-Si:H)이 생성될 수 있으며, 마이크로크리스탈린 실리콘이라고도 불린다.[71]

아모르퍼스 실리콘은 현재까지 가장 잘 개발된 박막 기술이다.아모르퍼스 실리콘(a-Si) 태양 전지는 비결정 실리콘 또는 마이크로결정 실리콘으로 만들어진다.아모르퍼스실리콘은 결정 실리콘(c-Si)(1.1 eV)보다 밴드갭(1.7 eV)이 높아 태양광 스펙트럼의 가시 부분을 높은 전력 밀도 적외선 부분보다 더 강하게 흡수한다.a-Si 박막 태양전지의 생산은 유리를 기질로 사용하고 플라스마 강화 화학증기증착(PECVD)에 의해 매우 얇은 실리콘 층을 축적한다.

나노크리스탈린 실리콘의 부피 비율이 낮은 프로토크리스탈린 실리콘은 높은 개방 회로 전압에 최적이다.[72]nc-si는 c-Si, nc-Si와 거의 같은 대역 갭을 가지고 있고 a-Si는 탠덤 셀이라는 레이어드 셀을 만들 수 있는 장점이 있다.a-Si의 상단 셀은 가시광선을 흡수하고 nc-Si의 하단 셀을 위해 스펙트럼의 적외선 부분을 남긴다.

갈륨 비소 박막

반도체 소재 갈륨 비소(GaAs)는 단결정 박막 태양전지에도 쓰인다.비록 GaAs 셀은 매우 비싸지만, 단일 접합 태양 전지 효율에서 28.8%[73]로 세계 기록을 보유하고 있다.GaA는 집중 태양광(CPV, HCPV)을 위한 다기능 광전지와 우주선의 태양전지 패널에 더 많이 사용된다. 왜냐하면 산업은 우주 태양열 발전 비용보다 효율을 선호하기 때문이다.이전의 문헌과 일부 이론적 분석을 토대로 보면, GaAs가 이처럼 전력 변환 효율이 높은 이유는 몇 가지다.먼저 가아스 밴드갭은 1.43ev로 태양전지에 거의 이상적이다.둘째, 갈륨은 다른 금속의 용해로 인한 부산물이기 때문에 가아스 세포는 열에 비교적 둔감하며 온도가 상당히 높을 때 높은 효율을 유지할 수 있다.셋째, GaAs는 광범위한 설계 옵션을 가지고 있다.태양 전지의 활성 레이어로 GaAs를 사용하면 엔지니어는 GaAs에서 전자와 구멍을 더 잘 생성할 수 있는 다른 레이어를 여러 개 선택할 수 있다.

다작성 세포

주요 기사:다접합 태양전지
여명의 10kW 3중접합 갈륨 완전 확장형 태양전지

다중접합전지는 여러 개의 박막으로 구성되는데, 각각 본질적으로 다른 필름 위에서 성장한 태양전지로, 일반적으로 금속 유기성 증기상 상피액을 사용한다.각 레이어는 스펙트럼의 다른 부분에 걸쳐 전자기 방사선을 흡수할 수 있도록 서로 다른 대역 갭 에너지를 가지고 있다.다중접합전지는 원래 인공위성이나 우주탐사 같은 특수한 응용을 위해 개발되었지만, 이제는 렌즈와 곡선미러를 사용하여 작고 고효율의 다중접합 태양전지에 햇빛을 집중시키는 신흥 기술인 지상 집광장치 광전지에 점점 더 많이 사용되고 있다.태양빛을 최대 천 배까지 집중시킴으로써, 고농도 태양광 발전(HCPV)은 앞으로 기존의 태양열 발전보다 경쟁할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[74]: 21, 26

단일성, 직렬연결성, 갈륨인듐인산화물(GaIndium Indosphide, GaInP), 갈륨비소화물(GaAs), 게르마늄(Ge) p–n접합을 기반으로 하는 탄뎀 태양전지는 원가압박에도 불구하고 판매량을 늘리고 있다.[75]2006년 12월부터 2007년 12월 사이에 4N 갈륨 금속의 가격은 kg당 약 350달러에서 kg당 680달러로 올랐다.게다가 게르마늄 금속 가격은 올해 kg당 1000~1200달러로 크게 올랐다.갈륨(4N, 6N, 7N Ga), 비소(4N, 6N, 7N)와 게르마늄(4N, 6N, 7N), 크리스탈 생육을 위한 피롤릭 붕소 질화물(pBN) 십자가형, 붕소산화물 등이 해당 물질로 기판 제조산업 전반에 중요한 제품이다.[citation needed]

예를 들어, 3중접합 셀은 반도체: GaAs, Ge, GaInP로
2 구성될 수 있다.[76]2003년, 2005년, 2007년 네 차례에 걸쳐 네덜란드의 세계 솔라 챌린지 우승자 누나와 네덜란드의 태양 자동차 솔루트라(2005년), 트웬티 원(2007년), 21 레볼루션(2009년)의 동력원으로 삼중접합 GaAs 태양 전지가 사용되었다.[citation needed]GaAs 기반 다중접합 장치는 현재까지 가장 효율적인 태양전지다.2012년 10월 15일, 삼중 접합 변성 세포는 44%[77]로 기록적인 최고치에 도달했다.

GaInP/Si 이중접합 태양전지

2016년에는 실리콘과 관련된 경제성과 풍부한 경험을 갖춘 III-V 다중접합 태양전지의 높은 효율을 결합한 하이브리드 태양광 웨이퍼를 생산하는 새로운 접근법이 설명되었다.약 30년 동안 연구 대상인 필요한 고온에서 실리콘에 III-V 물질을 배양하는 데 수반되는 기술적 복잡성은 혈장 강화 화학 증기 증착(PECVD)에 의한 저온에서 실리콘의 상피성 성장에 의해 방지된다.[78]

si 단접 태양전지는 수십 년 동안 널리 연구되어 왔으며, 1-선 조건 하에서 ~26%의 실용 효율에 도달하고 있다.[79]이 효율을 높이려면 밴드갭 에너지가 1.1 eV보다 큰 셀을 Si 셀에 더 많이 추가하여 추가 전압 생성을 위해 단파장 광자를 변환할 수 있어야 한다.상단 셀로서 밴드 간격이 1.6–1.8 eV인 이중접합 태양전지는 열화 손실을 줄이고 높은 외부 복사 효율을 생산하며 45%[80] 이상의 이론 효율을 달성할 수 있다.탠덤 셀은 GaInP와 Si 셀을 성장시킴으로써 조작될 수 있다.그것들을 별도로 성장시키면 하나의 셀로 직접 통합되는 것을 방지하는 가장 일반적인 III-V 층과 Si 사이의 4% 격자 상수 불일치를 극복할 수 있다.따라서 두 셀은 투명 유리 슬라이드로 분리되므로 격자 불일치가 시스템에 부담을 주지 않는다.이로써 18.1%의 효율을 입증하는 4개의 전기 접점과 2개의 접합부가 있는 셀이 생성된다.76.2%의 피질 인자(FF)로 시 바텀 셀은 탠덤 장치에서 11.7%(± 0.4)의 피질성에 도달하여 누적 탠덤 셀 피밀도가 29.8%[81]에 이른다.이러한 효율성은 이론적 한계치인 29.[82]4%와 Si 1-sun 태양전지의 기록적 실험 효율 값을 초과하며 기록-필수성 1-sun GaAs 장치보다 높다.그러나 GaAs 기판을 사용하는 것은 비용이 많이 들고 실용적이지 않다.따라서 연구원들은 GaAs 기질이 필요 없는 두 개의 전기 접촉점과 하나의 접합점을 가진 세포를 만들려고 한다.이는 GaInP와 Si의 직접적인 통합이 있을 것이라는 것을 의미한다.

태양전지 연구

참고 항목:태양전지 연구 및 § 역사

페로브스카이트 태양전지

주요 기사:페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조 물질을 활성층으로 포함하는 태양전지다.가장 일반적으로, 이것은 솔루션 가공의 유기농 유기 주석 또는 납 할로겐 기반 물질이다.효율성은 2009년 첫 사용 시 5% 미만으로부터 2020년 25.5%로 높아져 매우 빠르게 발전하는 기술이자 태양전지 분야의 화두가 되고 있다.[83]페로브스카이트 태양전지는 또한 스케일업 비용이 매우 저렴할 것으로 예측되어 상업화를 위한 매우 매력적인 옵션이 될 것이다.지금까지 대부분의 종류의 페로브스카이트 태양전지는 상용화하기에 충분한 운영안정에 도달하지 못했으나, 많은 연구단체들이 이를 해결하기 위한 방법을 연구하고 있다.[84]페로브스카이트 태양전지와 탠덤 페로브스카이트의 에너지 및 환경 지속가능성은 구조물에 의존하는 것으로 나타났다.[85][86][87]가장 효율적인 페로브스카이트 태양전지에 독성소자 납을 포함시키는 것은 상용화의 잠재적인 문제다.[88]

분기 태양전지

주요기사 : 분기 태양전지
1988년 노토(Senegal)의 분기 태양전지 발전소 - 알베도를 강화하기 위해 바닥은 흰색으로 칠해졌다.

투명한 후면으로 양면 태양전지는 앞뒤 양면으로부터 빛을 흡수할 수 있다.따라서, 그들은 기존의 단일민족 태양 전지보다 더 많은 전기를 생산할 수 있다.최초의 분기 태양전지 특허는 1966년 일본의 모리 히로시 연구원이 출원했다.[89]이후 1970년대에 러시아가 처음으로 우주 프로그램에 분단형 태양 전지를 배치했다고 한다.[citation needed]1976년 마드리드 공과대학의 태양에너지 연구소는 교수가 이끄는 분지 태양전지 개발을 위한 연구 프로그램을 시작했다. 안토니오 루케1977년 루케의 미국과 스페인 특허를 바탕으로 전면은 양극으로, 후면은 음극으로 실용적 분리형 셀이 제안되었다. 이전에 보고된 제안과 시도에서 양쪽 얼굴은 양극으로 되어 있었고, 세포 사이의 상호연결이 복잡하고 비용이 많이 들었다.[90][91][92]1980년 루케 팀의 박사과정 학생인 안드레스 쿠에바스는 백색 바탕이 제공되었을 때 동일한 지향적이고 기울어진 단색 태양 전지에 비해 분기 태양 전지의 출력 전력의 50% 증가를 실험적으로 입증했다.[93]1981년 이소포톤社는 개발된 분기 셀을 생산하기 위해 말라가에서 설립되었으며, 따라서 이 PV 셀 기술의 첫 번째 산업화가 되었다.With an initial production capacity of 300 kW/yr. of bifacial solar cells, early landmarks of Isofoton's production were the 20kWp power plant in San Agustín de Guadalix, built in 1986 for Iberdrola, and an off grid installation by 1988 also of 20kWp in the village of Noto Gouye Diama (Senegal) funded by the Spanish international aid and cooperati프로그램에 출연하여

제조원가 절감으로 기업들은 2010년 이후 다시 상업용 양분모듈을 생산하기 시작했다.2017년까지 북미에는 분기 모듈을 제공하는 인증된 PV 제조업체가 최소 8개 이상 있었다.국제태양광기술 로드맵(ITRPV)에 의해 2016년 5% 미만에서 2027년 30%로 세계 2차 기술 점유율이 확대될 것으로 예측됐다.[94]

분기 기술에 대한 큰 관심으로 인해, 최근 한 연구는 전 세계 분기 태양 모듈의 성능과 최적화를 조사하였다.[95][96]그 결과에 따르면 전 세계적으로 지상 탑재형 2분위 모듈은 지상 알베도 계수의 25%(일반적으로 콘크리트 및 초목 접지선의 경우)에 대해 단일 민족에 비해 연간 전력 생산량이 최대 10% 증가하는 데 그칠 수 있다.단, 모듈을 지면에서 1m 높이로 올리고 지상 알베도 계수를 50%로 높여 상승폭을 최대 30%까지 높일 수 있다.태양 외 연구진은 또한 분기 태양 모듈을 분석적으로 최적화할 수 있는 일련의 경험적 방정식을 도출했다.[95]또한, 이중 축 트랙터의 양분기가 단일 축 트랙터보다 1년 동안 14% 더 많은 전기를 만들었고, 최대 겨울철에는 40% 더 많은 전기를 만들었기 때문에, 눈 오는 환경에서 양분 패널이 기존 패널보다 더 잘 작동한다는 증거가 있다.[97]

온라인의 시뮬레이션 도구는 전 세계의 임의의 위치에 있는 분기 모듈의 성능을 모델링할 수 있다.또한 지상의 경사각, 방위각, 표고 등의 기능으로 분기 모듈을 최적화할 수 있다.[98]

중간대역

주요 기사:중간 대역 태양광 발전

태양전지 연구의 중간 대역 광전지는 셀의 효율에 대한 쇼클리-퀴서 제한을 초과하는 방법을 제공한다.발랑스와 전도 대역 사이에 중간 대역(IB) 에너지 레벨을 도입한다.이론적으로 IB를 도입하면 밴드갭보다 에너지가 적은 두 개의 광자가 발랑 대역에서 전도 대역으로 전자를 자극할 수 있다.이것은 유도광암호화폐를 증가시켜 효율을 높인다.[99]

Luque와 Marti는 먼저 상세한 균형을 이용하여 하나의 미들갭 에너지 레벨의 IB 기기에 대한 이론적 한계를 도출했다.그들은 IB에서 수집된 캐리어가 없으며 기기가 완전히 집중되어 있다고 가정했다.그들은 발란스 또는 전도 대역에서 IB 0.71eV의 밴드갭 1.95eV의 최대 효율이 63.2%라는 것을 발견했다.일광 조명 하에서 제한 효율은 47%[100]이다.

액상 잉크

2014년 캘리포니아 나노시스템스 연구소의 연구진은 케스테라이트 및 페로브스카이트를 사용하여 태양전지의 전력 변환 효율을 향상시킨 것을 발견했다.[101]

업변환 및 다운변환

광자 업변환(Photon upversion)은 두 개의 저에너지(예: 적외선) 광자를 사용하여 하나의 높은 에너지 광자를 생산하는 과정이며, 다운변환(downtransversion)은 하나의 고에너지 광자(예: 자외선)를 사용하여 두 개의 낮은 에너지 광자를 생성하는 과정이다.이 기술들 중 하나는 태양 광자를 더 효율적으로 사용할 수 있게 함으로써 더 높은 효율의 태양 전지를 생산하는데 사용될 수 있다.그러나 어려운 점은 위아래 변환을 보이는 기존 인광체의 변환 효율이 낮고, 일반적으로 좁은 띠라는 점이다.

한 가지 상향 변환 기법은 란타니드 도핑 재료(Er3+
, Yb3+
, Ho3+
 또는 조합)를 통합하여 적외선 방사선을 가시광선으로 변환시키는 것이다.업변환 과정은 두 개의 적외선 광자가 희토류 이온에 흡수되어 (고에너지) 흡수 가능한 광자를 생성할 때 발생한다.예를 들어, 에너지 전달 업변환 프로세스(ETU)는 근적외선 내 흥분된 이온들 사이의 연속적인 전달 프로세스로 구성된다.이 업콘버터 물질은 실리콘을 통과하는 적외선을 흡수하기 위해 태양 전지 아래에 놓일 수 있다.유용한 이온은 3가 상태에서 가장 흔하게 발견된다.이온이+
가장 많이 사용되어 왔다.에르3+
 이온은 1.54 µm 정도의 태양 방사선을 흡수한다.이 방사선을 흡수한 Er3+
 이온 2개는 상향 변환 과정을 통해 상호작용을 할 수 있다.흥분된 이온은 태양전지에 흡수되는 시밴드갭 위에서 빛을 방출하고 전류를 발생시킬 수 있는 전자-홀 쌍을 추가로 생성한다.하지만 늘어난 효율성은 미미했다.또한, 플루오린산염 안경은 포논 에너지가 낮고 호 이온으로3+
도핑된 적절한 매트릭스로 제안되어 왔다.[102]

빛 흡수 염료

주요 기사:염료감응 태양전지

염료감응형 태양전지(DSSC)는 저렴한 재료로 제작돼 정교한 제조 장비가 필요 없어 DIY 방식으로 제작할 수 있다.대량으로 그것은 이전의 솔리드 스테이트 셀 설계보다 훨씬 더 저렴해야 한다.DSSC는 플렉시블 시트로 설계할 수 있으며, 변환 효율은 최상의 박막 셀보다 낮지만 가격 대비 성능 비율은 화석 연료 전기 발생과 경쟁할 수 있을 정도로 높을 수 있다.

일반적으로 루테늄 금속 유기 염료(Ru-중심)는 이산화티타늄의 얇은 막에 흡착되는 빛을 흡수하는 물질의 단층재로 사용된다.염료감응형 태양전지는 이 나노입자 이산화티타늄(TiO2)의 중층층에 의존하여 표면적(평탄한 단일 결정의 약 10m2/g에 비해 200~300m2/g TiO
2)을 크게 증폭시켜 태양전지 면적당 더 많은 염료수를 허용한다(용어로는 전류를 증가시킨다).빛 흡수 염료에서 나온 광생성 전자는 n형 TiO로
2 전달되고 구멍은 염료 반대편의 전해액에 의해 흡수된다.회로는 전해액에 있는 리독스 커플에 의해 완성되는데, 리독스 커플은 액체나 고체일 수 있다.이러한 유형의 셀은 보다 유연한 재료 사용을 가능하게 하며, 일반적으로 스크린 인쇄나 초음파 노즐에 의해 제조되며, 대량 태양 전지에 사용되는 것보다 처리 비용이 낮을 가능성이 있다.그러나 이들 세포의 염료도 열과 자외선에 의해 분해되며, 조립에 사용되는 용매 때문에 세포 케이싱이 밀봉되기 어렵다.이 때문에 연구진은 고체 전해질을 이용해 누출을 피하는 고체 상태의 염료감응형 태양전지를 개발했다.[103]DSSC 태양광 모듈은 G24i Innovations에서 2009년 7월에 첫 상업 출하되었다.[104]

양자점

주요 기사:양자점 태양전지

양자점 태양전지(QDSCs)는 그랙젤 셀, 즉 염료 감응형 태양전지 아키텍처를 기반으로 하지만, 광흡수체로서의 유기물이나 유기물 염료 대신 양자점을 형성할 수 있을 정도로 작은 결정체 크기(CdS, CdSe, Sbs
2
3, PbS 등)로 제작되는 저대역폭 반도체 나노입자를 채용한다.Cd 및 Pb 기반 화합물과 관련된 독성 때문에 개발 중인 일련의 "친환경" QD 감작 재료(예: CuInS2, CuInSe2 및 CuInSeS)도 있다.[105]QD의 크기 정량화는 단순히 입자 크기를 변경함으로써 밴드 갭을 조정할 수 있게 한다.그들은 또한 높은 소멸 계수를 가지고 있고 다중 익시톤 발생 가능성을 보여주었다.[106]

QDSC에서, 이산화티타늄 나노입자의 중간 층은 DSSC에서와 같이 세포의 중추부를 형성한다.이 TiO
2 레이어는 화학적 욕조 증착, 전기적 증착 또는 연속 이온층 흡착 및 반응을 사용하여 반도체 양자 점으로 코팅하여 광활성화할 수 있다.그런 다음 액체 또는 고체 리독스 커플을 사용하여 전기 회로를 완성한다.QDSC의 효율은 액체 접합[108] 셀과 고체 상태 셀 모두에서 5% 이상으로 증가했으며[107],[109] 보고된 최고 효율은 11.91%[110]이다.Prashant Kamat 연구 그룹은[111] 생산 비용을 줄이기 위한 노력의 일환으로
2 TiO와 CdSe로 만들어진 태양열 페인트를 시연했는데,[112] 이 페인트는 효율성이 1% 이상인 전도성 표면에 원스텝 방식으로 적용할 수 있다.다만 실온에서는 QDSC의 양자점(QD) 흡수가 약하다.[113]플라스모닉 나노입자는 QD(예: 나노스타)의 약한 흡수를 해결하기 위해 사용될 수 있다.[114]외부 적외선 펌핑 소스를 추가해 QD의 밀반입과 대역간 전환을 자극하는 것도 하나의 해결책이다.[113]

유기/폴리머 태양전지

주요 기사:유기태양전지 및 고분자태양전지

유기태양전지와 고분자태양전지는 폴리페닐렌빈닐렌 등 폴리머를 포함한 유기반도체의 박막(일반적으로 100nm)과 구리 프탈로시아닌(파란색 또는 녹색 유기색소), PCBM 등 탄소풀레렌과 풀레렌 유도체 등 소량분자 화합물에서 만들어진다.

그것들은 액체 용액에서 처리될 수 있으며, 간단한 롤 투 롤 인쇄 공정의 가능성을 제공하며, 저렴한 대규모 생산으로 이어질 수 있다.또한 이러한 셀은 기계적 유연성과 처분가능성이 중요한 일부 용도에 유용할 수 있다.그러나 현재의 세포 효율성은 매우 낮으며, 실용적인 장치는 본질적으로 존재하지 않는다.

전도성 중합체를 사용해 현재까지 달성한 에너지 전환 효율성은 무기물질에 비해 매우 낮다.그러나 2012년 코나카파 파워플라스틱은 효율이 [115]8.3%, 유기 탠덤셀은 11.1%[citation needed]에 달했다.

유기 소자의 활성 부위는 전자 기증자 1개와 전자 수용자 1개로 구성된다.광자가 전자 구멍 쌍으로 변환될 때, 전형적으로 공여 물질에서 전하가 엑시톤 형태로 결합되는 경향이 있으며, 다른 태양 전지 유형과 달리 엑시톤이 공여자와 수용자 인터페이스로 확산될 때 분리된다.대부분의 폴리머 시스템의 짧은 익시톤 확산 길이는 그러한 장치의 효율을 제한하는 경향이 있다.나노 구조화된 인터페이스는 때로는 대량 이질 결합의 형태로 성능을 향상시킬 수 있다.[116]

2011년 MIT와 미시건주 연구진은 미세 분자 화합물로 스펙트럼의 자외선과 근적외선 부분을 선택적으로 흡수해 사람의 눈에 투명도가 65% 이상인 전력 효율 2%에 가까운 태양전지를 개발했다.[117][118]UCLA의 연구원들은 더 최근에 같은 접근법에 따라 70% 투명하고 4%의 전력 변환 효율을 갖는 유사한 폴리머 태양 전지를 개발했다.[119][120][121]이 가볍고 유연한 셀들은 저렴한 비용으로 대량 생산될 수 있고 발전 창을 만드는 데 사용될 수 있다.

2013년, 연구원들은 약 3%의 효율을 가진 폴리머 세포를 발표했다.그들은 블록 겸용기, 뚜렷한 층으로 자신을 배열하는 자가 조립 유기 물질을 사용했다.이 연구는 16나노미터 넓이의 띠로 분리되는 P3HT-b-PFTBT에 초점을 맞췄다.[122][123]

적응세포

적응형 세포는 환경 조건에 따라 흡수/반사 특성을 바꾼다.적응성 물질은 입사광의 강도 및 각도에 반응한다.빛이 가장 강렬한 세포의 부분에서 세포 표면은 반사에서 적응으로 변화하여 빛이 세포에 침투할 수 있게 한다.세포의 다른 부분은 세포 내에서 흡수된 빛의 보유를 증가시키는 반사 상태를 유지한다.[124]

2014년에는 시트 가장자리의 경량 흡수기로 흡수된 부분을 리디렉션하는 유리 기질에 적응형 표면을 결합하는 시스템이 개발되었다.이 시스템은 또한 적응형 표면에 빛을 집중시키기 위한 일련의 고정 렌즈/미러도 포함한다.날이 계속되면서 집중된 빛은 세포 표면을 따라 움직인다.그 표면은 빛이 가장 집중될 때 반사에서 적응으로 전환되고 빛이 따라 이동한 후에 반사에서 반사로 전환된다.[124]

표면 텍스처링

솔라 임펄스(Solar Impulse) 항공기는 스위스에서 설계한 단일 좌석 단층형 항공기로, 전적으로 광전지로부터 구동된다.

지난 몇 년 동안, 연구원들은 효율을 극대화하면서 태양 전지 가격을 낮추려고 노력해왔다.박막 태양전지는 광 흡수 효율을 희생하면서 두께가 훨씬 줄어든 비용 효율적인 2세대 태양전지다.두께를 줄여 광 흡수 효율을 극대화하기 위한 노력이 이뤄졌다.표면 텍스처링은 광학적 손실을 줄여 흡수된 빛을 최대화하기 위해 사용되는 기법 중 하나이다.현재 실리콘 광전지의 표면 텍스처링 기법이 많은 관심을 받고 있다.표면 텍스처는 다양한 방법으로 수행될 수 있다.단일 결정 실리콘 기질에 식각하면 비등방성 식각제를 사용해 표면에 랜덤하게 분포된 사각형 기반 피라미드를 만들 수 있다.[125]최근의 연구는 c-Si 웨이퍼가 나노 크기의 반전 피라미드를 형성하기 위해 식각될 수 있다는 것을 보여준다.결정학적 품질이 떨어져 다결정 실리콘 태양전지는 단일 결정 태양전지에 비해 효과가 떨어지지만, mc-Si 태양전지는 제조상 어려움이 적어 여전히 널리 사용되고 있다.다극성 태양전지는 등방성 식각이나 광석학 기법을 통해 단극성 실리콘세포에 버금가는 태양에너지 전환효율을 산출할 수 있도록 표면 질감이 가능하다고 보고됐다.[126][127]텍스처 표면 위의 입사 광선은 평평한 표면의 광선과 반대로 공기 중으로 반사되지 않는다.오히려 일부 광선은 표면의 기하학적 구조 때문에 다시 다른 표면으로 반사된다.이 공정은 광 흡수가 증가하여 빛에서 전기로의 전환 효율을 크게 향상시킨다.PV 모듈의 다른 인터페이스와의 상호작용뿐만 아니라 이러한 텍스처 효과는 도전적인 광학 시뮬레이션 작업이다.모델링과 최적화를 위한 특히 효율적인 방법은 OPTOS 형식주의다.[128]2012년, MIT의 연구원들은 나노 크기의 반전 피라미드로 질감 처리된 c-Si 필름들이 30배 두꺼운 평면 c-Si에 필름을 흡수할 수 있다고 보고했다.[129]표면 텍스처링 기술은 반반사 코팅과 결합하여 박막 실리콘 태양전지 내에 광선을 효과적으로 가둘 수 있다.결과적으로, 태양 전지에 필요한 두께는 광선의 흡수가 증가함에 따라 감소한다.

캡슐화

태양 전지는 일반적으로 투명한 고분자 수지에 캡슐화되어 작동 중이나 야외에서 사용될 때 예상되는 수분, 먼지, 얼음 및 기타 조건과 접촉하는 섬세한 태양 전지 영역을 보호한다.캡슐란트는 일반적으로 폴리비닐 아세테이트나 유리로 만들어진다.대부분의 캡슐화제는 구조와 조성이 균일하며, 이것은 수지 내 빛의 총체적 내부 반사에서 나오는 빛 트랩으로 인해 광 채집량을 증가시킨다.더 많은 빛을 모으기 위해 캡슐렌트를 구조화하는 연구가 진행되었다.그러한 캡슐화제는 거친 유리 표면,[130] 확산 요소,[131] 프리즘 배열,[132] 공기 프리즘,[133] v-그루브,[134] 확산 요소뿐만 아니라 다방향 도파관 배열도 포함한다.[135]프리즘 배열은 전체 태양 에너지 변환에서 전체 5% 증가를 보여준다.[133]수직으로 정렬된 광대역 도파관의 배열은 최대 4%의 광각 채집 향상과 [136]함께 정상 발생 시 10%의 증가를 제공하며, 최적화된 구조는 최대 20%의 단락 전류를 제공한다.[137]적외선을 가시광선으로 변환하는 활성 코팅이 30% 증가세를 보였다.[138]플라스모닉 광 산란을 유도하는 나노입자 코팅은 광각 변환 효율을 최대 3%까지 높인다.또한 금속성 전면 접점을 효과적으로 "클러킹"하기 위해 캡슐화 재료로 광학 구조물이 만들어졌다.[139][140]

자율정비

태양 전지판을 위한 참신한 자정 메커니즘이 개발되고 있다.예를 들어, 2019년에 습식 화학 식각 나노와이어와 표면 물방울의 소수성 코팅을 통해 98%의 먼지 입자를 제거할 수 있으며, 이는 특히 사막에서의 적용과 관련이 있을 수 있다.[141][142]

제조하다

초기 태양열 계산기

태양 전지는 다른 반도체 소자와 동일한 공정 및 제조 기술을 공유한다.다만 반도체 제조에 대한 엄격한 청결 요건과 품질관리가 태양전지의 경우 더욱 완화돼 원가를 낮춘다.

폴리크리스탈린 실리콘 웨이퍼는 180~350마이크로미터 웨이퍼에 전선을 쏘는 블록-캐스트 실리콘 주괴에 의해 만들어진다.웨이퍼는 보통 가벼운 p타입 도포형이다.웨이퍼의 전면에 n형 도펜트 표면확산이 수행된다.이것은 표면 아래 수백 나노미터의 p-n 접합부를 형성한다.

그런 다음 일반적으로 반사 방지 코팅이 적용되어 태양 전지에 결합되는 빛의 양을 증가시킨다.질화규소는 우수한 표면 패시브 특성 때문에 점차 선호 재료로 이산화티타늄을 대체하고 있다.그것은 세포 표면에서 반송파가 재결합하는 것을 방지한다.수백 나노미터 두께의 층은 플라즈마 강화 화학 증기 증착을 이용하여 도포된다.일부 태양 전지에는 반반사 코팅과 같이 웨이퍼에 도달하는 빛의 양을 증가시키는 질감이 있는 전면 표면이 있다.그러한 표면은 처음에는 단결정 실리콘에 적용되었고, 그 후 얼마 후 다결정 실리콘에 적용되었다.

뒷면에는 전면적 금속 접촉이 이루어지며, 앞면에는 미세한 '손가락'과 더 큰 '버스바'로 구성된 격자 모양의 금속 접촉부가 은색 페이스트를 이용해 스크린으로 인쇄된다.이는 1981년 바이엘 AG가 출원한 미국 특허에서 처음 설명한 전극 적용을 위한 이른바 '습관(wet)' 과정의 진화다.[143]후면 접촉은 금속 페이스트(일반적으로 알루미늄)를 스크린 프린팅하여 형성된다.일부 설계는 격자무늬를 사용하지만 일반적으로 이 접촉은 후방 전체를 덮는다.그리고 나서 그 페이스트는 수백 도에서 발사되어 실리콘과 접촉하는 허혈성 금속 전극을 형성한다.일부 기업은 효율성을 높이기 위해 추가 전기 도금 단계를 사용한다.금속 접점이 만들어진 후, 태양 전지는 평평한 전선이나 금속 리본으로 상호 연결되고 모듈이나 "태양 패널"로 조립된다.태양광 패널은 전면에는 강화유리 한 장, 후면에는 폴리머 캡슐화가 있다.

다른 유형의 제조와 재활용은 부분적으로 그것이 배출량을 줄이고 긍정적인 환경적 영향을 미치는 데 얼마나 효과적인지를 결정한다.[39]이러한 차이와 효과성은 시간 경과에 따라 지역별로 다른 목적에 가장 적합한 유형의 제품을 생산하기 위해 정량화할[39] 수 있다.

제조업체 및 인증

추가 정보:태양광 발전 회사 목록
지역별[144] 태양전지 생산

국립 재생 에너지 연구소는 태양열 기술을 시험하고 검증한다.신뢰할 수 있는 세 개의 그룹이 태양열 장비를 인증한다: UL과 IEEE(미국 표준 모두) 및 IEC.

태양전지는 일본, 독일, 중국, 대만, 말레이시아, 미국 등에서 대량으로 생산되고 있으며, 유럽, 중국, 미국, 일본은 설치 시스템에서 우위를 점하고 있다(2013년 기준 94% 이상).[145]다른 나라들은 상당한 태양 전지 생산 능력을 얻고 있다.

유럽위원회 공동연구센터가 발표한 연간 'PV 현황 보고서'에 따르면 2012년 전 세계 PV 셀/모듈 생산량은 태양광 투자가 9% 감소했음에도 불구하고 10% 증가했다.2009년과 2013년 사이에 세포 생산량은 4배 증가했다.[145][146][147]

중국

주요 기사:중국의 태양열 발전

중국은 2013년부터 세계 최고의 태양광 발전 설비 업체다.[145]2018년 9월 현재 전 세계 태양광 모듈의 60%가 중국에서 만들어졌다.[148]2018년 5월 현재 세계 최대 규모의 태양광 발전소가 중국 텐저 사막에 위치해 있다.[149]중국은 2018년 차세대 9개국을 합친 것보다 더 많은 태양광 설치용량(GW)을 추가했다.[150]

말레이시아

주요 기사:말레이시아의 태양광 발전 제조

2014년 말레이시아는 중국과 유럽연합(EU)에 이어 세계 3위의 태양광 장비 생산국이었다.[151]

미국

주요 기사:미국의 태양열 발전

미국의 태양광 생산량은 2013년부터 2019년까지 두 배가량 늘었다.[152]이것은 처음에는 질 좋은 실리콘의 가격 하락에 의해,[153][154][155] 나중에는 단순히 세계적인 태양광 모듈 가격 하락에 의해 추진되었다.[149][156]2018년 미국은 10.8을 추가했다.설치된 태양광 발전 에너지 GW, 21%[150] 증가

재료 소싱

다른 많은 에너지 발전 기술과 마찬가지로, 태양 전지의 제조, 특히 그것의 급속한 팽창은 많은 환경 및 공급망 함의를 가지고 있다.글로벌 광업은 태양 전지 유형에 따라 다른 필요한 광물을 공급하기 위해 적응하고 잠재적으로 확장될 수 있다.[157][158]태양 전지판을 재활용하는 것은 그렇지 않으면 채굴해야 할 재료의 원천이 될 수 있다.[39]

폐기

태양 전지는 시간이 지남에 따라 성능이 저하되고 효율이 떨어진다.사막이나 극지방과 같은 극한 기후의 태양전지는 각각 거친 자외선과 눈의 부하에 노출되어 분해되기 쉽다.[159]보통 태양 전지판에는 해체되기 25~30년의 수명이 주어진다.[160]

국제재생에너지청은 2016년 태양광 패널 전자폐기물 발생량을 4만3500~25만톤으로 추정했다.이 숫자는 2030년까지 크게 증가할 것으로 추정되며, 2050년에는 6억 7800만톤으로 추산되는 폐기물 양에 도달할 것이다.[161]

재활용

참고 항목:페로브스카이트 태양전지 § 재활용

태양 전지판은 다른 방법을 통해 재활용된다.재활용 공정은 시 모듈을 분해하고 각종 자재를 회수하기 위한 모듈 재활용, 셀 재활용, 폐기물 처리 등 3단계 과정을 포함한다.회수된 금속과 Si는 태양열 산업에 재사용이 가능하며, 현재 AG와 태양열 Si의 가격으로 11–12.10 달러의 수익을 창출한다.

일부 태양광 모듈(예:첫 번째 솔라 CdTe 태양 모듈)은 납과 카드뮴과 같은 독성 물질을 함유하고 있는데, 이 물질이 깨지면 토양으로 침출되어 환경을 오염시킬 수 있다.프랑스 루셋에 2018년 첫 태양열 패널 재활용 공장이 문을 열었다.연간 1300톤의 태양광 패널 폐기물을 재활용할 예정으로 용량을 4000톤까지 늘릴 수 있다.[162][163]

2020년에는 태양광 모듈 재활용의 유망한 접근방식에 대한 최초의 글로벌 평가가 발표되었다.과학자들은 "재료 회수를 극대화하는 동시에 폐기 대비 재활용 비용과 환경적 영향을 줄이기 위한 연구 개발"은 물론, 테크노-경제 분석의 촉진 및 활용을 권고했다.게다가, 그들은 온전한 실리콘 웨이퍼를 회수하는 것보다 고부가 실리콘의 회수가 더 유리하다고 발견했는데, 전자는 여전히 회수된 실리콘을 위한 정화 공정의 설계를 필요로 한다.[164][165]환경규제가 아닌 시장기준가격에 의해서만 재활용이 추진된다면, 재활용에 대한 경제적 인센티브는 여전히 불확실하며 2021년 현재 다양한 종류의 개발된 재활용 기법이 환경에 미치는 영향을 계량화할 필요가 있다.[39]

참고 항목

Wind-turbine-icon.svg 재생에너지포털

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참고 문헌 목록

외부 링크