1. 개요
|
|
| 태양전지의 모습 |
반도체에서 일어나는 광기전효과를 바탕으로 한 장치이다. ' 밴드갭(Eg)'보다 같거나 큰 에너지를 가진 빛이 반도체에 조사될 경우 일부 전자는 높은 에너지 준위로 전이한다. 이때 전자가 빠져나가고 남은 부분은 양전하를 가진 양공이라는 입자로 취급할 수 있다. 그렇게 반도체 내부에서 빛으로 인해 전자- 양공 쌍(electron-hole pair), 혹은 엑시톤(Exciton)[1]이 발생하고 p-n 접합구조가 기본적으로 가진 내부 전기장에 의해 전자와 양공은 분리되어 외부회로로 흘러가서 일을 한다. LED는 거꾸로 소자에 전기를 흘려 빛을 생성하는 것으로, LED와 태양전지는 동작방향이 정반대다. 대부분의 발전방식과는 달리 직류를 만들어내는 게 기본이다.
광기전효과(光起電效果, photovoltaic effect)는 광전효과(光電效果, photoelectric effect)와는 유사하나 다른 현상이다. 광전효과는 빛의 입자설에 대한 증거로 물질에 그것의 일함수 이상의 에너지를 가진 전자기파가 조사될 경우 외부(주로 진공)로 전자를 방출하는 효과를 의미하며 광기전효과는 빛에 의해 들뜬 전자양공이 기전력(起電力)을 가져 전류 뿐만 아니라 전압, 즉 일을 할 수 있는 상태가 되는 것을 말한다.
에너지원이 사실상 무한한 태양광이고 친환경발전이라는 장점이 있다. 태양전지가 나온것은 19세기 후반으로 오래전이었으나 이 당시에는 배터리 저장 기술이 발달되지 않았기 때문에 오랜기간 동안 제대로 된 상용화가 이루어지지 않았다. 이후 연구를 통해 효율성을 향상시켜놓았고, 기술력이 향상된 21세기에는 재생에너지로 각광받고 있다. 물론 오랜연구를 거친다해도 여전히 상당히 낮은 효율과 상대적으로 높은 생산단가, 월등히 높은 부지 면적 요구도, 그리고 태양광이 가장 강렬하게 내려쬐는 적도나 고온 지방이 아닌 이상 존재하는 날씨에 따른 태양광 세기 변동 등 단점도 많다. 또한 같은 태양전지라도 크기나 성능에 따라 품질 차이가 있어서 생각보다 많은 차이가 있다. 소형 패널은 전구, 선풍기를 틀거나 노트북, 스마트폰, 소형TV를 충전하는 정도이지만 대형패널일 경우에는 온수보일러도 틀고 대형냉장고와 에어컨같은것도 가동시키는 수준이다. 그러나 2010년대에는 태양전지의 값이 많이 떨어진데다가, 소형 태양전지는 개인단위로도 충분히 돌릴수있다는 점이 겹쳐 전력사정이 열악한 개도국에서 태양전지가 널리 퍼지고 있다. 특히 원자재 자급을 못해서 석유, 가스, 석탄, 우라늄을 수입하는 나라들에서 더욱 유용하게 쓰이고 있다. 만성적인 전력난을 겪고있는 북한도 2010년대에 중국산 소형 태양전지가 좀 살만한 계층 중심으로 활발히 보급되어 가정용 전력은 태양전지에 의존하는 비중이 높다.
그리고 메이드 인 차이나의 위엄은 여전해서 중국이 본격적으로 참여하자 가격이 급격히 떨어졌으며, 연구가 아닌 단순 제조는 중국으로 넘어가는 추세다. 중국은 신장지역등에서 태양광 패널등을 생산하고 있다. 다만 중국의 석탄발전 및 석탄난방의 비중이 여전히 높기때문에[2] 이걸 친환경이라할수있는지라는 비아냥도 있다. 그래도 중국에서 고속도로 위에 태양열 전지를 설치하는 등 태양광 산업 진흥에 열심인데, 연료수입을 줄여서, 에너지 안보에 도움이 되기 때문이다.
이걸 다루는 자격증으로 신재생에너지발전설비기능사(태양광), 신재생에너지발전설비기사(태양광)가 있다. 2013년에 개설되어서 인지도가 바닥을 달린다(...).
우주에서 원자로 다음으로 가성비가 좋은 발전기이기도 하다. 물론 원자로를 우주에 올리는 건 비용 문제 뿐만 아니라 핵 미사일 발사나 다름없는 정치적 부담이 있어서, 사실상 태양 전지가 우주 발전기의 정점이다.[3] SF장르에서 이따금씩 등장하는 다이슨 스피어는 이 개념을 확장해서 항성 전체를 감싸는 형태의 항성 규모의 발전소다.
빛에 따라 출력 전압이 변한다는 점을 활용하여 유독한 황화 카드뮴을 대신해 광센서로 사용되기도 한다.
1.1. 이론적 효율한계
단일접합 태양전지 기준의 이론효율한계는 약 30% 초반정도이며, 쇼클리-콰이저 한계(Shockley-Queisser limit) 또는 미소균형 한계(detailed balance limit)라고 한다. 이는 다른 발전 방식의 효율한계에 비해서는 낮은 편이라고 생각할 수 있지만, 원자력 발전을 제외하면 다른 발전도 결국 태양에너지에 의해서 생긴 산물을 이용한다는 점에서 결코 낮은 수치는 아니다.2. 태양 전지의 종류
2.1. 실리콘 태양전지
실리콘( 규소)을 의미한다. 간접 에너지 밴드를 가지기 때문에 에너지의 일부가 원자핵의 진동(phonon)으로 새어나가 효율은 좋지 않으나 가장 널리 쓰인다. 이유는 규소는 지구상에서 가장 흔한 원소이므로 값이 싸고, 전자 산업쪽에서도 많이 쓰기 때문에 소자 제조 기술이 발전 되어 있으며 산화만 시키면 바로 절연체를 만들 수 있어 제어가 쉽고 다른 물질들보다 독성이 적은 동시에, 최대로 반응하는 빛의 에너지 대역이 indirect 물질중에서는 대기를 통과한 햇빛과 유사해 효율이 가장 좋기 때문이다.실리콘 태양전지는 근적외선과 붉은색 계열의 빛에서 발전 효율이 가장 높으며, 파란색이나 근자외선으로는 발전할 수 없다. 이를 보완하기 위해 광변환 필름을 이용해 파장이 낮은 빛은 그대로 통과시키되 파장이 높은 빛은 붉은빛으로 변환해주는[4] 필름을 이용하여 효율을 높이는 연구가 진행중이다. 출처 이 방식을 사용할 경우 기존 실리콘 태양전지에 필름을 붙이는 것만으로 이론상 최대 35%의 효율을 낼 수 있다고 한다. 여러 파장의 빛을 활용하기 위해 제조 난이도가 높은 다중접합(탠덤) 구조를 사용할 필요가 없으므로 가격 또한 저렴하며, 부착형 필름으로 개발될 경우 기존 태양전지를 업그레이드하여 발전량을 늘릴 수 있다는 장점을 가진다. 다만 필름 자체의 내구성은 아직 검증되지 않은 상태이며, 만일 수명이 짧을 경우 상용화에 걸림돌이 될 수 있다.
2.1.1. 분류
2.1.1.1. 결정질
우리가 주위에서 가장 흔히 볼 수 있는, 이 페이지의 맨 위에 걸려있는 이미지가 바로 결정질(다결정) 태양전지다. 종류로는 다결정과 단결정 방식 2가지가 있는데 단결정은 검은색, 다결정은 파란색으로 나타난다. 다만 이 색은 소자 자체의 색뿐만 아니라 표면의 여러 가공층에 의한 색도 있으며, 각 소자에 맞는 최적의 가공을 하다보니 색이 달라지는 것. 가장 확실한 구분법은 빛에 비추었을 때 반짝이는 덩어리처럼 보이는 주변과 다른 부분들이 있는지 확인하는 것으로, 이 덩어리 하나하나가 결정이다. 전체가 똑같이 빛나면 단결정, 다르게 빛나는 덩어리가 보이면 다결정, 소자 자체가 박막형인 경우는 다음에 설명할 비정질.주요 특징만을 간단히 정리하자면
-
단결정 - 검은색, 효율 높다, 비싸다
잘 안 깨진다 -
다결정 - 파란색, 효율 낮다, 싸다
잘 깨진다
단결정은 효율은 더 높으나 제조공정에 고열이 필요해 가격이 비싸고 창문을 비롯한 다양한 공간에 사용할 수 있는 박막형태로의 제조가 힘들다. 규소를 단순히 용융하여 얇게 뿌려 식히는 수준의 것은 아니기 때문이다. 규소의 단결정질을 유지하고 있어야 웨이퍼로 사용할 수 있는데 이는 단순한 주괴 제조 방식으로는 만들 수 없다. 그래서 초크랄스키법 같은 실리콘 결정 성장기술을 이용하는데, 실리콘을 뜨거운 열로 녹여 고순도의 실리콘 용액으로 만들고, 여기에 결정을 넣고 천천히 돌려가면서 들어올리면서 뽑아낸다. 여기서 성장된 단결정 덩어리(잉곳(ingot))를 다이아몬드 소우 머신을 이용해 균일한 두께로 절단하고 연마하면 웨이퍼가 된다. 얇게 자르는게 상당한 기술력을 요구하는 부분이라 이걸 얼마나 얇게 하느냐에 따라서 가격도 천차만별로 변한다. 국내의 기술기준으로는 두께를 100㎛(마이크로 미터)이하가 되도록 잘라야 경제적인 두께로 인정하고 있다.
2.1.1.2. 비정질(amorphous silicon)
비정질 방식의 큰 특징은 도포가 가능하다는 점이다. 에너지도 적게 든다. 결정적으로 가격도 싸다. 그래서 단결정이나 다결정 방식보다 재료가 덜 들어 생산비를 절감할 수 있다. 발전량도 다결정보다 효율이 떨어지지만 온도차에 따른 발전량의 저하가 결정질보다 낮기때문에 사막같이 매우 온도가 높은 지방에서 효율적으로 사용할 수 있다. 그 외에도 휘어지는등의 특징덕분에 아웃도어용, 혹은 군사용으로 각광을 받고 있다. 또한 반사된 태양광이나 형광등 빛으로도 작동이 가능하기에 리모컨이나 계산기 등에도 사용되고 있다.
2.2. 비 실리콘 태양전지
단결정 태양전지의 실리콘은 간접 밴드갭으로 광흡수율이 좋지 않아 두껍게 제작할 수 밖에 없고, 이 때문에 과거에는 제작단가가 높았다. 많은 연구자들은 direct 밴드갭을 가진 대체물질로 적은 광흡수층(>>낮은 생산단가)를 쓰고도 충분한 광전변환 효율을 보이는 소자를 제작하기 위해 노력하였으나, 아직 실리콘을 대체할만한 소자를 마땅치 않은 상태인데, 이는 반도체 산업에서의 공정 기술 발달로 실리콘 웨이퍼 생산가격을 극도로 떨어뜨릴 수 있었기 때문에 실리콘 태양전지가 많은 소재사용량에도 불구하고 가격경쟁력 측면에서 압도적인 장점을 갖고 있기 때문이다.그러나 비-실리콘계 태양전지는 여러가지 응용가치가 있다.
첫째는 밴드갭 조절을 통한 다중접합 제작 및 고효율화가 가능하다는 점.
둘째는 심미성, Built-in[5] 을 고려한 반투과성 태양전지 제작이 가능하다는 점.
셋째는 유연기판(flexible substrate) 적용이 가능하다는 점.
등이 꼽힌다. 그러나 화합물에 따라서 낮은 효율 / 원료 수급문제 / 중금속 유출 / 낮은 안정성 등의 문제가 풀어야할 숙제로 남아있다.
2.2.1. 무기박막 계열
III-V족 ; GaAs, InP, GaInAs, GaAlAs 등II-VI족 ; CdTe, CdS, ZnS 등
I-III-VI족 ; CIS/Se, CGS/Se, CIGS
Si와는 달리 전부 direct 밴드구조를 갖는다. 원자핵의 진동으로 에너지가 새어나가는게 적어져 효율이 높기 때문. 많은 소자가 단일물질 반도체로 유명한 14족을 중심으로 대칭이지만, 꼭 이렇게 결합한 화합물만 반도체라는 건 아니다. 이중에서 Ga As계열은 훌륭한 성능과 내구력을 자랑한다. 그만큼 당연히 가격도 비싸다(...) III-V은 소자제작 비용이 높기 때문에 Fresnel Lens를 이용해서 (돋보기와 유사) 빛을 집속시켜 사용하는 경우가 많으며, 주로 우주탐사나 인공위성 등 제작 가격보다는 성능이 중요한 제한적인 조건에서만 사용된다.
GaAs계열의 태양전지는 기본적으로 GaAs기판이나 다중접합구조의 태양전지의 경우는 Ge기판위에 성장시키는것이 원칙이다. (Ge과 GaAs의 격자상수는 매우 비슷하다). 주로 GaAs와 같은 III-V물질이 태양전지원으로 이용될때 다중접합구조의 Tandem 태양전지를 구현하는데 사용되며 (예: 0.7eV (Ge:기판)/1.4eV (GaAs:에피층)/1.8eV(InGaP:에피층))과 같이 격자상수가 비슷하지만 다양한 밴드갭을 가지는 물질을 다층으로 증착시켜 구현한다. 원글의 사파이어 기판위의 증착은 주로 나이트라이드 계열의 물질을 증착시키기위해 사용되는데 물질의 퀄리티문제와 (나이트라이드 계열 반도체 내의 높은 결점농도) 제한된 밴드갭으로 인해 (나이트라이드 계열은 높은 밴드갭 에너지를 가진다.) 태양전지에서 잘 사용되지 않는다.
이외에 C I G S 소자는 구리 인듐 갈륨 셀레늄이 구성물로, 연구소 수준에선 다결정 Si의 효율보단 좋다. 실리콘 태양전지에 비해 적은 물질로도 빛을 잘 흡수하므로 박막화가 가능해 더 가격을 낮출수도 있어 실용화되면 보급형으로 잘 먹힐 수 있다. 그러나 In및 Ga의 원료수급 문제가 있어서 상용화에 문제가 있다. Cd Te 태양전지는 독극물인 Cd( 카드뮴)을 사용하나 제조시에 사용되는 에너지가 적고, 환경성능이 좋으며[6] 화합물 반도체중에선 저가여서 미국이나 RU에서 대규모 발전소에 이용하기 시작했다. 폐기시엔 제조회사에서 책임진다는 모양이다.
2.2.2. 유기 태양전지
2000년대부터 연구가 이루어지고 있는 태양전지들. 유기반도체 박막을 이용한 유기태양전지가 대표적이며, 염료감응, 페로브스카이트 및 양자점태양전지 등이 모두 이에 해당한다. 상온에서 도포하는 것 만으로 제조 가능하며 색상이 좋고, 가볍다.무기계가 발전이 일어나는 접합부에 무기물을 사용한 반면에 유기물을 사용했으며 효율은 10%내외로 무기태양전지가 20%를 넘는 것에 비해 많이 뒤쳐져있고 유기물은 무기물에 비해 분해되기가 쉬운 만큼 수명문제가 있다. 그럼에도 유기태양전지를 연구하는 이유는 유기물은 플렉서블한 걸 찾기가 쉽고[7] 무기물에 비해 원료가 싸며 공법 역시 저비용에 비진공공법이기 때문에 단가를 낮출 수 있기 때문이다. 실리콘은 결정을 만들때 특정 공정을 거쳐야 되고, p형/n형으로 전기적인 특성을 부여할 때 어떤 방식의 공정이더라도 높은 수준의 진공이 필수다. 원료가격은 시장규모만 커지면 대량생산으로 가격을 낮출 수 있다.
2.2.3. 염료감응(Dye-Sensitized Solar Cell)
염료 감응형 태양전지는 식물의 광합성처럼 염료층이 빛을 흡수하여 전기 에너지로 변환하는 방식이다. 빛을 흡수한 염료가 전자를 넘겨주면 전해질이 다시 염료에게 전자를 넘겨서 환원하는 원리로 작동한다. 일반적으로 다공성 구조의 이산화티타늄에 염료를 흡착시켜 소자를 만든다. 실리콘 태양전지와는 다르게 실내 조명, 흐린 날에서도 좋은 효율을 가지고 있고, 염료를 바꾸어서 다양한 색을 낼 수 있는 장점을 가지고 있다.그러나 최대 효율은 ~12-14% 정도로 아직 무기물계의 소자에 비해 부족하다. 개발 당시에도 10%정도 효율이었는데 그간의 연구에 비해 효율이 거의 오르질 않았다. 또한 주로 액체로 된 요오드 전해질을 사용하기 때문에 안정성에 문제가 있으며, 루테늄 구조의 염료를 주로 사용하기 때문에 비용에도 문제가 있다. 이 부분은 유기물 염료를 사용하면 해결 할 수 있지만, 유기물은 분해가 되기 쉬워 수명에 문제가 생긴다. 이것은 중간에 다른 물질이 끼어든다는 점 등 OLED에 대응되고, 단점도 수명 부분에서 비슷하다. 염료로 유기물을 쓸 수 있기에, 유기물 소자의 초기형으로도 볼 수 있다.
종합적으로 현재까지는 상용화에는 부족하고, 연구소 단계에서 주로 다루는 게 현실이다. 국내 기업들 중에서는 대표적으로 동진케미칼에서 염료감응형에 연구를 하고 있다. 2010년대 이후로는 연구소 및 학계에서도 페로브스카이트 태양전지에 주도권을 넘겨주고 사라지는 추세다.
2.2.4. 유-무기 페로브스카이트(Organic-inorganic perovskite)
페로브스카이트(perovskite)라는 결정 구조를 가지는 유무기 복합 소재를 사용하는 태양전지다. 페로브스카이트는 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 구조로 등축정계(simple cubic)에 기반한 구조다. 화학식은 ABX3로, A, B는 양이온, X는 음이온이며 배위수는 각각 12, 6, 6이다. 이 물질은 반도체- 강유전체-압전 특성은 물론 초전도 현상 등 다양한 물성을 보일 수 있어 고체물리와 재료공학에서 많이 연구하는 소재로, A, B 자리 양이온의 크기에 따라 격자 왜곡이 결정되고, 이 격자 왜곡이 물성에 큰 영향을 미친다.유무기 페로브스카이트 소재는 perovskite 구조에서 A 양이온 자리를 전기 쌍극자 모멘트를 가지며 전하를 띠는 유기 분자가 차지하고 있고, B 양이온 자리에는 대부분 고립 전자쌍이 포함되어 이온 자체로 분극을 가질 수 있는 양이온[8]이 포함되어 있다. 유기 페로브스카이트는 양이온의 polar displacment, 팔면체의 rotation/tilt distortion이 없는 구조와 비교하면 distortion amplitude가 큰 편으로, 대부분 BX,6, 팔면체는 a0a0c-의 Glazer's notation을 가진다.
효율이 급격히 좋아지고 있어 학계가 흥분하고 있다. 페로브스카이트 유기태양전지의 경우 2017년 기준으로 최고 22.1%의 효율을 보여주고 있다 그것도 우리나라에서. KRICT와 UNIST의 작품으로 미국의 국립 재생에너지 연구원 NREL에서 제공하는 공인인증효율 차트에 당당히 올라있다. 이 차트에 한국기반 연구소는 LG전자(단결정 GaAs와 비정질실리콘)와 KRICT, 고려대학교, UNIST(페로브스카이트) 뿐이다. 다만 물에 노출되면 분해되는 문제가 있다. 측정하고 나면 효율이 떨어질 정도로 소자가 불안정하기 때문으로, 이 소자의 최대 단점이 이것이다. 연구가 진행돼도 안정성 향상은 지지부진하고, 미결합 전자쌍이 효율에 큰 역할을 하므로 납을 제외시키기 힘들다는 문제가 남아있다. 납 대신 주기율표에서 인접한 주석이나 비스무트를 사용하려는 움직임도 있으나, 이쪽 또한 지지부진한 상황이다.
값싼 무기물과 유기물이 결합하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 에너지 변환 효율 22.7% #의 고효율 태양전지로 응용이 가능하다. 이는 기존의 태양광 시장을 주도하고 있는 실리콘을 뛰어넘을 수 있는 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 유기재료가 투입되는 이상 수명 문제에서 자유롭지 못하며, 납을 사용하므로 환경오염 문제가 있으나 에너지 회수 기간(EPBT, energy payback time)이 [9] 실리콘에 비해 낮기 때문에 연구개발의 여하에 따라 높은 경제성을 가질 것으로 기대된다.
중금속과 환경파괴 문제는 패널이 파손되어도 납 성분이 쉽게 흘러나오지 못하는 구조로 제작하고, 납 축전지의 경우처럼 법적으로 지정 폐기물로 지정하여 회수 및 재활용을 의무화하면 완화시킬 수 있다. 또한 저수지의 수상 태양광 발전소와 같이 납 유출시 문제가 되는 장소에는 사용이 금지될 것으로 예상된다.
2022년 기준 유무기 페로브스카이트 태양전지의 효율이 25.7%까지 올라갔다.[10] #
수명도 연구개발을 거듭하며 점차 늘고 있으며, 실리콘 태양전지 이상 수준인 30년 정도로 늘릴 수 있을 것으로 예상된다. #
페로브스카이트 태양전지가 상용화 및 대중화될 경우 와트당 비용은 $0.10(약 120원) 수준까지 내려갈 것으로 전망된다. # 다만 이러한 예측은 보통 제조 원가 기준으로 하는 경우가 흔하므로 유통 등의 과정을 거친 도매/소매 가격은 이보다 비쌀 수 있다. 아직 연구개발 단계로 소량 생산되어 실험용으로만 쓰이는 관계로 일반 소비자가 구매 가능한 제품은 없으며, 상용화 시점은 2022년 기준으로 대략 3~5년 뒤로 전망된다.
2.2.5. 양자점(quantum dot)
에너지 밴드 간격이 서로 다른 두 물질중 큰 물질을 배경으로, 작은 물질을 나노크기로 분포시키면 서로 다른 밴드간격이 점 형태의 포텐셜 우물을 형성하는 것을 이용하거나, core-shell 구조의 p-n 접합을 갖는 양자점으로 소자를 구동시킨다. MEG(multiple excition generation)효과 등이 관찰되는 system은 태양전지의 이론상한효율인 쇼클리-콰이저 한계에 구애받지 않는다는 특징이 있으나, 결정적으로 구조가 평면적이지 않고 복잡해 엑시톤 분리가 잘 되지 않고, 따라서 충분한 두께로 만들 수가 없다는 단점 때문에 효율이 낮은 편이다. (~10%초반) 또한 대체로 연구물질이 중금속이다. (PbS, PbSe, CdS, CdSe 등)2.3. 다중접합(탠덤)
PN 소자가 만나는 층에서 발전이 이뤄지는 태양전지의 특성을 이용해 PNPNPNPN....식으로 층을 여럿 만들어 효율을 올리는 형태. 각 층마다 서로 다른 결정구조나 구성물질을 사용한다. 탠덤 태양전지는 단일접합 기준의 이론적 효율상한을 뛰어넘을 수 있는 방식이다. 이론적으로, 무한개의 p-n 접합을 사용할 경우 그 효율 상한은 약 80%대 중반정도이다.현재 국내에서 한화솔루션이 개발하는 탠덤 셀의 효율은 2024년 초반 기준 약 30%이며 2026년 양산을 목표로 개발 중이다. #
- Heterojunction with Intrinsic Thin lay: 실리콘으로 구성된 소자인데, 층마다 결정질/비정질 여부가 다르다.
- III-V족 다접합 태양전지: 주로 우주용으로 사용되어 오던 소자.[11] 안그래도 효율이 좋은 계열인데 이것을 접합해 효율을 더 끌어올렸으므로 집광하면 40% 이상의 변환효율을 가진다. 가격이 동일 출력의 실리콘 태양전지보다 400배 이상으로 매우 고가이고, 지상에서는 집광형 패널로 만들어 이용하는 방안이 연구중이다. 대형 렌즈로는 태양광을 600배 이상 집광하는 것도 가능하므로 태양전지 셀 자체의 비싼 가격을 상쇄시킬 수 있다.
- 페로브스카이트-실리콘 탠덤: 페로브스카이트와 실리콘 태양전지가 흡수하는 파장대가 다르므로 탠덤 구조로 제작하면 상호 보완이 가능하다. 변환효율은 2022년 기준 31%를 돌파하였다. # 둘 다 저렴한 소재이므로 다른 유형의 탠덤 태양전지보다 가격이 저렴할 것으로 예상된다.
3. 형태에 따른 종류
3.1. 평판형
평면 형태로 제작된 태양전지이다. 시중에서 가장 보기 흔한 형태이나, 직사광선을 정면으로 향하지 않으면 효율이 떨어진다는 단점이 있다.3.2. 양면형
태양전지를 양면으로 제작하여 반대편에서 반사되는 빛도 발전에 활용하는 방식이다. 방음벽과 같이 양면으로 빛이 들어올 수 있는 장소에 주로 사용된다. 상용화는 되어있으나, 시중에서 찾기 힘든 편이다.3.3. 집광형
상대적으로 비싼 태양전지 셀(특히 다중접합 태양전지) 자체는 1㎠ 내외의 작은 크기로 만들고 오목 거울, 볼록 렌즈, 프레넬 렌즈[12] 등 집광 장치를 통해 태양빛을 100~500배 이상 집중시킨 뒤 발전하는 방식도 개발되어 있다. 다만 이렇게 발전할 경우 열 또한 많이 발생하므로 태양전지의 열손상을 방지하기 위한 방열기도 필수적이다.광섬유와 비슷한 역할을 할 수 있는 각형 블록을 태양전지 셀과 같이 이용하여 발전량을 증폭시키는 방식도 연구중이다. 블록 안으로 들어온 빛은 내부에서 여러 번 반사되다가 태양전지 셀에 닿게 되는 구조이므로 설치 방향에 덜 구애받는다는 장점도 있다. 또한 여기에 형광물질까지 접목하여 태양전지 셀이 이용할 수 없는 파장대의 빛을 이용할 수 있도록 설계하기도 한다.
3.4. 구형
태양전지 자체를 공(球) 모양으로 만든 것으로, 최대 효율을 위해 직사광선을 정면으로 바라보도록 설치해야 하는 기존의 평판형 태양전지와 달리 여러 방향에서 오는 빛을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 다만 구체가 너무 클 경우 설치가 어려워지므로 미세한 구형 태양전지 여러개를 배열하여 하나의 패널을 이루는 방식으로 개발중이다. 약간이라도 휘면 파손되는 기존 실리콘 태양전지와 달리 미세한 구형 태양전지를 사용한 패널은 옷감에 적용하여 웨어러블 기기의 동력원으로 사용 가능하며, 심지어 드론의 표면과 같이 울퉁불퉁한 표면에도 활용이 가능하다. 또한 미세한 크기로 인해 미관 훼손이 적으므로 건물 유리창에도 적용하기 용이하다. 관련 영상4. 관련 문서
[1]
전자와 양공이 쌍을 이룬 상태를 하나의 입자로 지칭하는 용어.
[2]
물론 중국도 환경오염 문제로 석탄난방과 석탄발전을 점차적으로 축소하는 추세이기는 하지만, 석탄은 자급자족이 가능하기도 하고, 석탄채굴로 먹고사는 동네들을 순식간에 몰락시키는 문제점도 있기때문에 조정이 늦은것이다.(한국만 해도 1990년대 초반에
석탄산업 합리화 정책으로 석탄채굴의 비중을 급속히 축소시켰다가 탄광촌 일대가 급속히 쇠락해서 낙후지역이 되었다.)
[3]
다만 목성까지가 한계이다. 예를 들어 목성 탐사선
주노의 경우 발전량이 지구에서의 발전량의 4%에 불과하다. 그 너머의 외우주로 나갈 시에는 도달하는 태양 에너지 양이 감소하여 발전량이 급격히 떨어지기에 원자력 전지만이 유일한 수단이 된다.
[4]
형광등에서 형광 물질을 사용하여 자외선을 가시광선으로 변환하는 것과 비슷한 원리이다.
[5]
내장성을 의미한다.
[6]
리튬이온 전지와 니켈수소 전지가 소형 축전지 시장을 니카드 전지로부터 빼앗으면서 소비가 줄어든 카드뮴은 점점 처리가 힘든 폐기물 취급을 받게 되었는데, 그런 카드뮴을 태양전지의 형태로 고정시켜서 비교적 안전하게 처리할 수 있게 되었기 때문이다. 그러나 구동시간동안 주변토양 및 수질의 카드뮴 오염이 문제점으로 지적된다. 흔히 태양전지에 중금속이 사용된다는 말이 바로 CdTe 태양전지에 해당된다.
[7]
OLED 계열에서 플렉서블 디스플레이가 개발되고 있는 것도 같은 이유. 무기물계는 비정질 박막형으로 제조해야 해 효율이 감소한다.
[8]
대표적인 것이 6s2인 Pb2+와 Bi3+
[9]
발전된 에너지 양/소자를 만드는 대 소비된 에너지 가 1 이 되는 시점.(현재 페로브스카이트 솔라셀은 3개월정도 비정질 실리콘 태양전지의 경우는 2.5년) 즉 3개월 쓰다 버려도 본전이란 소리
[10]
UNIST에서 개발했다.
[11]
우주로 발사시에는 무게가 약간만 무거워져도 비용이 크게 늘어나므로 탠덤 태양전지를 사용하면 실리콘 태양전지보다 오히려 경제적이다.
[12]
프랑스의 물리학자 프레넬이 고안한 집광 렌즈