1. 개요

(1) 태양광 이용기술

• 태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 기술

- 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식

• 태양광 발전시스템은 태양전지(solar cell)로 구성된 모듈(module)과 축전지 및 전력변환장치로 구성됨

(2) 태양전지에 의한 발전원리

○ 태양전지 (太陽電池 : solar cell, solar battery)

• 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射)하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것

• 금속과 반도체의 접촉을 이용한 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고, 반도체 pn접합을 사용한 것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음

주) 광전지(光電池: photocell) : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치

주) 광전효과 (光電效果: photoelectric effect) : 일반적으로 물질이 빛을 흡수하여 자유로이 움직일 수 있는 전자, 즉 광전자(光電子)를 방출하는 현상

주) 광기전력(光起電力: photoelectro-motive force) : 반도체에 빛을 조사했을 때 발생하는 전압

주) 반도체 (半導體: semiconductor) : 전기전도(電氣傳導:electric conduction)가 전자(電子:electron)와 정공(正孔:hole)에 의해 이루어지는 물질로서 그의 전기저항률, 즉 비저항(比抵抗:resistivity)이 도체와 절연체 비저항값의 중간값을 취하는 것. 반도체의 재료로서는 실리콘, 갈륨비소, 황화카드뮴이 또는 이것들을 복합한 것이 있으나 보통 실리콘이 많이 사용됨

○ PN접합에 의한 발전원리

• 태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발됨

• 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음

• 이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔:hole)(+)과 전자(電子:electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공과 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체 쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리임

[PN접합에 의한 태양광 발전의 원리]

대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(boron:붕소)을 첨가한 P형 실리콘반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로써 만들어짐. 이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함

이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨

자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계에 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨. P형 반도체와 N형반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨

(3) 태양전지의 역사

• 1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견

• 1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과연구이후 효율 1~2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용

• 1940년대∼1950년대 초 초고순도 단결정실리콘을 제조할 수 있는 Czochralski process가 개발됨

• 1954년 Bell Lab.에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발

• 1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후 모든 위성에 태양전지를 사용

• 1970년대 Oil shock이후 태양전지의 연구개발 및 상업화에 수십억 달러가 투자되면서 태양전지의 상업화가 급진전

• 현재 태양전지효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈가격 $6/W 내외, 발전단가 $0.25∼0.5/kWh

(4) 태양광의 특징 및 시스템 구성도

○ 특징

[태양광발전 시스템 구성도]

[설치사례]

• 사업명 : 신재생에너지 지역에너지 사업 (태양광 발전)

• 설치장소 및 내용 : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p, 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp

○ 태양광발전 기술의 분류

• 태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류

• 시스템이용 : 독립형, 계통연계형, 복합발전형