신재생 에너지 (Renewable Energy) 제2장 태양광에너지

01 태양광에너지 태양외부온도: 6,000 ℃ 태양내부온도: 15,000,000 ℃ 흑점온도: 4,000 ℃ 01 태양광에너지 태양외부온도: 6,000 ℃ 태양내부온도: 15,000,000 ℃ 흑점온도: 4,000 ℃ 생명: 50억년 (무한 에너지원)

01 태양광에너지 - 지구로부터 1억 5,000만 km 정도 - 질량 2 x 1027[ton], 수소로 구성 - H2 → He (by fusion reaction, by 600[Mt/sec]) : 4.3[Mt] 소실 → 열/빛 방출 ∴ 표면온도 : 6,000oC로 감소 에너지 전환방정식 년간 방출에너지

01 태양광에너지 - 지구의 단위면적당 에너지 - 년간 태양 → 지구로의 에너지 : 지구 반지름 r = 6,400[km] cf.) 년간 지구인의 필요 에너지 : 1.5 X 1014[KWh]

01 태양광에너지 - 대기권 광 에너지(1,370[W/m2]) : 태양정수(Solar constant)   01 태양광에너지 - 대기권 광 에너지(1,370[W/m2]) : 태양정수(Solar constant) : 반사광 30% (by 구름, 공기, 먼지) → 우주공간으로 : 산란광 20%(구름과 대기에 흡수) → 원적외선으로 : 흡수광 50% → 에너지원, : 시간, 위도, 계절 등에 의해 변화 : 집적효율 20%이하 →밀도 낮음 ∴ 기술개발 필요성

01 태양광에너지 - 광의 파장, 주파수, 속도, 에너지 : E = hf where, E : 에너지, h = 6.624 X 10-34[J∙s] : planck’s constant, f : 주파수 λ = c/f, λ : wavelength, c : velocity of light 빈(Wien)의 법칙 : 중심광의 파장은 온도에 반비례 최대강도의 파장 at 6,000oC cf.) 지구표면 300oC : 의 적외선 - 태양광 : 가시광선(380~780nm, 52%), 적외선(IR, 780~2500nm, 42%) 자외선(UV, 300~380nm, 5~6%)

01 태양광에너지 – 태양광 스펙트럼 광전변환 효율의 주파수 의존성 : 적색광 및 근적외 영역 : 최대   01 태양광에너지 – 태양광 스펙트럼 광전변환 효율의 주파수 의존성 : 적색광 및 근적외 영역 : 최대 : 자외 및 원적외 영역 : 효과 없음 영역 a : 공기입자/수증기에 의해 흡수/반사 → 곡선 b 단결정/다결정 실리콘 셀 : 가시광/적외광 → 광전변환 가능

01 태양광에너지 - 대기권의 태양광 1,370[W/m2] → 지표면 1,060[W/m2] : 북위 40o(평균 위도) - 표준에너지 강도 STC(Standard Test Condition) : 1,000[W/m2] ∴ 0.8STC = 800[W/m2], 1.2STC = 1,200[W/m2] - 대기질량정수(Air Mass) : 전력밀도가 통과하는 공기의 량 α : 태양광과 지표면의 평균각도 AM-1 : 적도, 해발 0[m]의 구간, 수직입사 AM-1.5 : 중위도지역(20~50o)에서 1.5배의 공기층 통과/지표에 41.8o : 전력밀도(1,060W/m2) AM-0(대기권 밖) : 1,370W/m2, AM-1 : 1.1 kW/m2 if, 변환효율 10~20%, 수광면적(태양전지 면적) 1m2 → 100~200W

  01 태양광에너지

01 태양광에너지 - 표준시험조건 수광 조건 : AM-1.5 cf.) AM-2 at 30o, AM-5.7 at 10o(sun rise/sun set) α = 53o at 북위 37o → 76.5o(하지), 29.5o(동지) 일조강도 : 1,000[W/m2] : 1,150[W/m2] (적도/고산지대), 800[W/m2](오슬로) : 1,060[W/m2] (AM-1.5) 기준온도 : 25oC 입사각 AM 대기흡수율 기타 산란율 전체감쇠율 90 1 8.7 ~ 25.6 17.3 ~ 38.5 60 1.15 9.2 ~ 29.5 19.4 ~ 42.8 30 2 11.2 ~ 44.9 28.8 ~ 59.1 5 11.5 19.5 ~ 86.5 65.1 ~ 93.8

01 태양광에너지 - 직사광 & 산란광 특정 위치의 입사량 ∝ 위도, 구름, 계절, 일조 시간 : 0~1,060W/m2 - 자외선 : 대기 상층부의 산소분자, 오존층에 흡수 - 적외선 : 수증기, 이산화탄소에 흡수 - 가시광선 : 흡수없이 지표면에 도달 - 대기와 구름 : 복사 에너지를 흡수, 반사, 산란 직접광과 확산광 - 태양상수(solar constant) 1,370[W/m2] = 직접 광 + 산란 광(확산 광 + 흡수 광) - 공기분자/수증기/구름/먼지/산불/화산/공해물질 → 직접 광을 확산 : 적도에 가까울수록 산란 적음, 위도 높을수록 산란 많음

01 태양광에너지 - 직접 광 : 구름, 먼지에 의한 반사 없는 복사 광, 지표면에 수직 입사 확산 광 : 반사된 광, 직접 광보다 긴 경로, 광학장치로 집중 가능 * 평판형 시스템 : 직접광과 확산광 사용 집중형 시스템 : 직접광 사용 일사(insolation) - 일사량 : 특정 위치에 입사하는 햇빛의 양 : 춘천, 진주, 광주, 전주, 대전, 청주, 영주, 포항 → 일사량 높음 : 목포 → 가장 일사량 낮음. - 우리나라 : 사막 : 북극 = 1 : 1.6 : 0.6 - 맑은 날의 일사량 6 kWh/m2, 흐린날 3 kWh/m2 비오는 날(산란광) 1 kWh/m2

연평균 태양자원 수평면 전일사량 연평균 태양자원 대기 청명도 연평균 태양자원 법선면 직달일사량

일사량이 가장 낮은 지역 : 해안지역인 목포일원 전국 봄철 일평균 법선면 직달일사량 자원 분포도 (단위 : kWh/m2) 일사량이 높은 지역 : 천분지 일원과, 진주, 광주, 전주, 대전, 청주, 영주, 춘천, 포항 지역 일원을 잇는 분지지대 일사량이 가장 낮은 지역 : 해안지역인 목포일원 연평균 태양자원 최적설치 경사각

01 태양광에너지 태양광 vs. 형광등 밝기 비교 태양광 형광등 상황 조도(lux) 설계대(국부조명) ~ 1,000 사무실, 회의실 300 ~ 600 식당, 복도 200 이하 계단, 커피숍 100 이하

01 태양광에너지 태양전지의 발전 능력 - 태양 : 1kW/m2 공급(맑은 날) = 10만 ~ 12만 lux - 일조량 : 약 3.8시간/일 → 70W/m2 x 3.8 hours = 266Wh/m2 = 0.27kWh/m2 - 일반 가정 : 약 7kWh/일 → 7kWh/0.27kWh/m2 = 25~30m2 - 지붕면적 : 약 60m2 정도

02 태양전지 태양전지 원리 - 광 → 반도체 : 전자/정공 발생 → 도전율 증가 : 광도전효과 - 반도체 pn 접합 : p형의 정공 → n형으로 : n형의 전자 → p형으로 확산 - 경계면 : 공핍층 형성 → 확산전위차 발생 : p형측 (-), n형측 (+) - 광 → 공핍층 : 전자/정공 발생 → 공핍층의 전계(n → p방향) : 정공 p방향으로, 전자 n 방향으로 이동 : 광기전력 효과 → 전압발생 : p형측 (+), n형측 (-) 태양전지 장점 : 광(빛) 에너지 → 전기에너지 변환 cf. 화력발전 : 화석연료 → 연소 → 열 발생 → 물 가열 → 증기 발생 → 발전기의 터빈 회전 → 전기 생성 : 열 에너지 → 증기 에너지 → 기계적 에너지(by 터빈회전) →전기에너지 : 에너지 손실 및 발전기 규모

02 태양전지 P / N – typed semiconductor PN 접합 : depletion layer   02 태양전지 P / N – typed semiconductor PN 접합 : depletion layer : forward / reversed bias voltage : drift & diffusion phenomena

  02 태양전지 2가지 물질은 전기적으로 중성이지만, n형 실리콘은 과도한 전자를, p형 실리콘은 과도한 정공을 갖는다. 이들을 포개어 쌓는 것은 접촉면에서 p/n junction을 만들어 전기장을 형성한다.

    02 태양전지

      02 태양전지

02 태양전지 비반사 코팅(antireflection coating) 투명접착제(transparent adhesives) 덮개유리(cover glass) 전면접촉(front contact) 후면접촉(back contact) n-type 반도체 p-type 반도체 기판 (substrate)

03 태양전지 종류 태양전지의 종류 및 특성 의 미 특징 성능 가격 물질 장점 단점 단결정 원자의 배열 방향이 균일한 물질 순도 높음 결정결함 낮음 고가 고효율 (24%) Si, GaAs 다결정 원자 배열 규칙적 배열방향이 다름 비교적 저순도 Low cost 저효율 불균일 중간효율 (19%) 중저가 Si, CdTe CuInSe2, 비정질 분자 배열 불규칙 대면적 가능 Low cost Flexible 가능 경시변화 (12%) 저가 Si

03 태양전지 종류 단결정실리콘 태양전지 비정질실리콘 태양전지 다결정실리콘 태양전지 형태 실험실 규모 대량생산 면적 (cm2) 효율 (%) 실리콘 단결정 4 23.3 100 15~18 다결정 17.8 12~14 비정질 1 11.5 1,000 5~8 GaAs 0.25 25.7 17 CdTe 10.9 - CuInSe2 3.5 14.1 GaAs/GaSb 0.005 34 단결정실리콘 태양전지 비정질실리콘 태양전지 다결정실리콘 태양전지

03 태양전지 종류 단결정/다결정 실리콘 태양전지

04 태양전지 V-I 특성

04 태양전지 V-I 특성 ① 개방전압 Voc=0.6[V] : 무부하 상태의 단자전압 ② 부하전류 IL 증가 → 단자전압 감소 ③ 최대전력점 Wp = Impp ∙ Vmpp : 정격전류(최대전류), 정격전압(최대전압) - 정격전압 : Voc 의 약 80%(0.48[V]) - 정격전류 : Is 의 약 95%(30.5[mA/cm2]) ④ Wp 보다 큰 전류 → 전압 급감 (ex. 전류 5% 증가 → 전압 50% 감소) ⑤ 단락전류 Is : 셀의 출력단자 단락 시의 전류, 최대인출전류 : 부하저항 = 0, IL = Is, 단자전압 Vp = 0, ∴ Wp = 0 : 셀 면적, 광의 세기에 비례, 약 32[mA/cm2]

04 태양전지 V-I 특성 - 충전인자(fill factor) 최대출력전력 = 개방전압 x 단락전류 x 충전인자 변환효율(conversion efficiency) : 빛 에너지의 전기에너지로의 변환 비율

04 태양전지 V-I 특성 60[W]급 태양전지 모듈의 사양 예 - 표준시험조건(STC : 일사량 1,000[W/m2], 대기질량 AM-1.5, 온도 25oC) 기호 단위 값 최대전력 Pmax W 60 최대전압 Vmax V 18.2 최대전류 Imax A 3.35 개방전압 Voc 21.9 단락전류 Isc 3.5 충전인자 = 0.78

04 태양전지 V-I 특성 직렬접속 직병렬접속

04 태양전지 V-I 특성

05 태양전지 변환효율 변환효율에 영향을 미치는 인자들 - 광의 파장 : Si(1.1eV)/Ge(0.67eV)보다 큰 파장의 광 → 투과(15~25%) - 전자와 정공의 재결합 - 반도체의 고유저항(joule heat) - 태양전지 모듈의 온도 : T ↑ → 역방향전류 ↑(+0.06%/K) → 전압 ↓(-0.36%/K) * 외부 온도 : 33oC → 모듈 온도 : 61oC * Pmax : 1oC → 0.66% 저하 - 36oC 차이 → 출력 = 36oC x 0.66% = 23.8% 저하 : 3kW → 2.3kW - 표면산란/반사(입사광의 약 40%) → 표면 반사 방지 코팅막 필요 → 이론적 최대변환효율 : Si 26%, GaAs 28%, CIS(CuInSe) 23% * 양자효율(quantum efficiency) : (태양전지가 수집한 충전운반체 수)/(전지에 입사하는 광자 수)

예제 예제) Si의 금지대 폭은 1.1[eV]이다. 이에 해당하는 빛의 파장을 결정하라. 풀이) 광자(photon)의 주파수 , 파장 , 속도 라 할 때, 이 광자의 에너지 는 이다. 한편, 주파수와 파장 사이에는 다음의 관계가 성립한다. 따라서 파장은 다음과 같다.

05 태양전지 변환효율 - 태양전지 셀 0.8V(결정 Si) if, 25개의 cell을 직렬연결 → 20V의 출력 : 모듈(module) If, 8직렬, 5병렬 → 직렬 연결된 모듈열(로드) : 160V(전류 4A) → 모듈 열을 5개 병렬 : 전류 20A로 증가 : 모듈을 직/병렬 연결 : 태양전지 어레이(array) → Inverter → 지붕으로 … → 8직렬 5병렬 태양전지 어레이 : 160V, 20A, 약 3kW의 태양전지

05 태양전지 변환효율 모듈 시험 - 기계적 특성 : 충격강도, 내 풍압, 비틀림 강도, 단자강도 - 전기적 특성 : 전기적 특성 시험(STC), 절연시험(내부회로-모듈 프레임, 내부회로-외부부품) - 온도계수 시험 - 열점(hot spot) 내구성 시험 - 환경특성 시험 항목 측정내용 발전성능 Voc , Is, Vmpp , Impp , Pmax , FF, η : 5% 이내 일 것 내전압 직류 1[kV]를 1[min]간 인가 → 전기적 성능(절연파괴)에 문제 없을 것 절연저항 출력단자-패널(접지단) 사이의 절연저항 40[Ω/m2] 이상일 것

05 태양전지 모듈의 변환효율 - 최고출력(peak watt; Wp) : 실험실 조건(상대적으로 높은 빛의 수준, 적당한 공기질량, 낮은 소자온도)하 에서 측정되는 태양전지 셀 모듈의 최대출력 등급으로 결정 - 전기출력(W) : 전력조절기에서 유용한 출력으로, 최고출력 또는 하루 중 생산된 평균출력으로 정의 - 에너지출력(Wh): 특정시간 동안 생산된 에너지의 양 * 태양전지배열의 단면적 단위 당 출력 (Wh/m2) * 배열의 질량 단위당 출력 (Wh/kg) * 배열의 가격 단위당 출력 (Wh/$) - 변환효율 : 배열의 에너지 출력을 햇빛의 에너지 입력으로 나눈 값의 백분율

05 태양전지 변환효율 배열의 성능을 결정할 때 고려되는 인자 태양전지 소자의 전기성능 특성 배열의 설계 조립과 연관된 저하인자 결정 태양전지 작동온도로 변환 배열의 전기출력 용량 계산

06 태양전지종류 – 유기태양전지(organic solar cell) 태양전지의 종류 : 무기태양전지(Si, 화합물반도체 : GaAs, CdTe, CuInSe2) : 유기태양전지 : 염료감응태양전지 유기태양전지 - 전도성 유기재료 개발 ex.) organic EL - 구조 : p-n 접합형과 유사 cf.) DSCs : 광전기화학형 : 음극(투명전극 : 광 흡수) – 양극 사이 → p-n 형의 유기반도체 재료 삽입 : 광활성층 : p(conducting polymer) – n(플로렌, 특수 구조의 탄소층) : 다양한 분자구조의 적용 가능 → 고효율 재료 개발 기대 : 사용 재료에 액상 없음 cf.) DSCs 간단한 제조공정, 모듈화 용이(에너지 손실 적음) 높은 흡광계수(100nm, 50%), flexible 가능(roll-to-roll 공정 가능) : 낮은 변환효율

05 태양전지 변환효율 박막 태양전지 - CIS(Copper-Indium-Selenide) - CIGS(Copper-Indium-Gallium-Selenide) : 보다 높은 변환효율, 박막화, 광열화 없음 : 태양광 – 반사방지막/Al grid 전극(-) – 투명전극 – 고저항 산화 아연층 – CIGS - Mo 배면전극(+) - 유리

06 염료감응 태양전지 DSCs(Dye Sensitized Solar Cell) 기술 수준 - 효율 : 11%(유리기판)/6%(flexible substrate) - 제조단가 : 740원/Wp(효율 11% 기준) → 실리콘 태양전지의 1/5 DSCs 실용화의 key words : high efficiency, low cost Application areas - small signal(voltage) - 보조전원(산불모니터링센서, 해양부표위치추적) - 발열체 전원(방한복, 장갑, 신발) - 도로 표시판 - 가정전원(APT의 유리창) : flexible DSCs

06 염료감응 태양전지 기판 : 전도성 기판(유리, PET) 나노 TiO2 : 여기된 전자 전달, n 형 반도체 전극 직경 20nm 염료분자(Ruthenium): 태양광 획득, 전자 여기 : 광흡수범위, 전자주입속도, 안정성 제공 전해질: 전하이동 백금: 전자전달 촉매 - 광 → 염료 : 전자-정공 발생 → 전자 여기 → TiO2의 전도성 밴드로 이동 → 전자 : TiO2 계면을 통과 → 투명 전도성 기판 → 외부회로 - 상대전극의 전자 → 백금 → 전해액 : 전자 + 정공 → 환원

07 태양전지 시스템 평판시스템(flat-plate system) - 설계/제작이 간단 - 모든 광(직접광, 확산광) 사용 가능 ∴ 광학장치, 집전장치, 태양광 추적장치 불필요 - 넓은 태양전지 면적 필요(대량의 셀 사용) → 소규모의 경우 경제성 문제 * Cover film : 주변환경으로부터 시스템 보호 * Encapsulant : 태양전지 셀 보호

07 태양전지 시스템 집중형시스템(concentrator system) - 직접광 사용 - 광 집중장치(집중기) 필요 → 광의 강도 증가(∴ 셀의 크기/개수 감소) : 렌즈, 셀 부품, Housing, 2차 광학장치 * 셀 부품 : 2차 집중기(벗어난 광 반사 → 재사용), 열 소산기 - 장점 : 작은 패널의 면적 : 높은 집중비(concentration ratio, 획득하는 광의 양)로 효율 상승 - 단점 : 광학장치/광 추적장치/제어장치 필요(고가) : 광 복사 집중 → 열에 의한 셀 작동온도 증가 → 효율 감소 및 시스템 안정성 위협 요인

07 태양전지 시스템 태양전지시스템 부품 - BOS(Balance of System) : 태양전지장치(cell, module, array) 적용시스템(계통) 부시스템(저장/충전제어장치) (a) 독립전원형 : 밧데리 저장장치를 이용 → 직류공급 : inverter → 교류 사용 (b) 계통연계형 : 전기생산(낮) → 교류변환(인버터) → 기존의 전력선 연결 - 생산된 전력 : 전력회사에 판매/수전 가능 - 배터리 불필요 : 환경보호 측면에서 유리 - 전력 예비율 확보에 기여 - 3[KW] x 30만호 = 90만[KW] : 원자력 발전소 1기

07 태양전지 시스템 장착구조물 : 안정성, 내구성, 광 추적 가능 추적구조물 전력조절기(power conditioner) : 부하 요구조건 충족 위한 장치 ex.) 전압/전류 제한 → 최대전력 실현 : 태양전지 – 솔라조절장치 - 저장장치(battery) - 인버터 - AC기기 저장장치 : 독립전원형의 경우 저장장치 필요 : 배터리 재생(80% 에너지 변환 가능) → 효율감소 충전 제어장치 : 과충전/과도한 방전 시 배터리 보호 : 일정한 전압 유지, 과전류 차단

07 태양전지 시스템 예제) 최대전력점에서 전압과 전류가 각각 0.493[V], 5.13[A]인 태양전지 셀을 12[V], 120[W]의 출력을 얻고자 배치하려 한다. 배열을 제안하라. 풀이) 하나의 셀의 공급전력 = 0.493[V] x 5.13[A] = 2.53[W] 120[W]의 출력을 위한 셀 개수 = 120[W]/2.53[W]/셀 = 47.4셀 12[V] 위한 직렬 연결한 셀 개수 = 12[V]/0.493[V]/셀 = 24.3셀 = 25셀 * 25셀 직렬 : 0.493[V] x 25 = 12.325[V](전압) 5.13[A](전류) 25셀-25셀 병렬 : 12.325[V](전압) 2 x 5.13[A] = 10.26[A](전류) ∴ 직렬 연결한 25셀과 25셀을 병렬 연결 : 12.325[V] x 10.26[A] = 126.45[W]

07 태양전지 시스템 예제) 하루에 10[kWh]를 출력하는 PV 시스템에서 4일 동안 저장한 후 그 에너지를 회수하기 위하여 배터리(1,275Ah/12V)는 몇 개가 필요한가? 풀이) 저장할 에너지 양 = (10[kWh]/[1day]) x 4[days] = 40[kWh] * 방전깊이(Depth of Discharge, DOD) : 전지의 잔존용량과 반대 : 암페어 시[Ah], %로 표현 ex.) 50Ah의 전지 : DOD(0 Ah → 잔존용량 100%, DOD 50 Ah → 잔존용량 0%) ∴ 평균적으로 DOD 50%로 가정하면 배터리 저장용량 = 80[kWh] 배터리 1set는 1,275[Ah] x 12[V] = 15.3[kWh]를 저장 ∴ 필요한 배터리 개수 = (80[kWh]/set)/15.3[kWh] = 5.3sets = 6sets

08 태양전지 동향 - 차세대 성장동력, 조기육성 가능 분야 시장현황 및 전망 - 차세대 성장동력, 조기육성 가능 분야 - 세계시장규모 : 2.4GW(‘07) → 8GW(‘12) → 105GW(‘30) cf. renewable energy : 2013년 5억 6천만 KW(전년대비 19% 증가) 풍력발전 : 28,300만kW(2012) → 31,800만kW(2013) : 12.3% 증가 태양광 발전 : 10,000만kW(2012) → 13,800만KW(2013) : 38% 증가 국가별 순위 : 중국 – 독일 – 일본 - 대만 - 미국, 한국(9위) 일본 : 1,360만 kW (전년 대비 690만 kW 증가) 미국 : 1,025만 KW

08 태양전지 동향 - 실리콘 태양전지 효율 : 13.5~18% - 미국, 일본이 선도/주도 - 한국 : 선진국 대비 71% 수준, 모듈 가격 80% 수준 - 비실리콘계 태양전지 : CIGS, 염료감응(DSCs), 유기태양전지 : 국내 CIGS 셀기술(94%) - 문제점/당면과제 : 중국 급성장 → 시장 과다경쟁 우려 → 실리콘/인듐 등 원료수급방안/가격 - 대처방안 : 개발기술 다각화 → 폴리실리콘, 비실리콘계 태양전지(CIGS 박막, DSCs, 유기태양전지) - 현황 : 폴리실리콘 원소재/모듈 가격 하락(발전단가 급락), 중국 성장 둔화 → 기술격차 해소, 시장확대 기회 : 결정질 실리콘(89.6%, ‘07), 향후 CIGS 박막 증가 예상 * 결정질 실리콘 : 박막 : 차세대 = 9 : 1 : 0(‘07) → 1 : 1: 1(‘30)

07 태양전지 동향 - Suntech(China) : 1GW 달성(’08년), 고효율 추진 기업동향(외국) - Suntech(China) : 1GW 달성(’08년), 고효율 추진 - Sharp(Japan) : 0.7GW(’10년, 결정질계), 1GW(박막계)로 증설 중 : CdTe, CIGS 개발 중 - Q-cell(Germany) : 1GW(박막 500MW) 증설 : DSCs, GaAs화합물 반도체, CIGS 개발 중 기업동향(한국) - 동양제철화학 : 2조2천억 투자, 폴리실리콘 생산, 26,500ton(‘10) - 현대중공업 : 300MW 달성(’08년), 1GW(’12년 계획) - 한국철강 : 300MW 달성(’08년), 1GW(’12년 계획) - LG 전자 : 50MW 계획 → 120W 확대 계획

08 태양전지 향후 계획 향후 전략 및 계획 - 태양광 수출 산업화 기반 구축 - 원소재 안정적 확보 → 가격 경쟁력 확보 - 박막(Si, CIGS) 기술 확립 및 양산 시스템 구축 - 정책 : 제품의 국내-해외 상호 인증/인증기준 확립 → 수출시장 확립/확대 : 글로벌 기술 경쟁력확보(원천기술, 연구/장비 인프라 및 연구센터 구축) 1단계(‘13~20년) - 대규모 실리콘 결정질/박막 태양전지 양산 → 화석연료 수준의 경제성 확보 : RPS, 탄소배출권 제도 활용 → 태양광 시장 확대 : 차세대(유기, 염료감응, 화합물) 연구개발/기술확립 및 양산시스템 구축 2단계(‘20 ~ ’30년) - 원자력 수준의 경제성 확보 - 화석연료 대체시장 형성

태양빛의 광자가 태양전지에 입사하면 어떤 수준의 에너지를 갖는 광자는 Band gap 에너지 태양빛의 광자가 태양전지에 입사하면 어떤 수준의 에너지를 갖는 광자는 원자결합으로부터 전기를 만들 수 있도록 전자를 자유롭게 한다. 이러한 수준의 에너지는 공유결합으로부터 전자를 제거하고 전기회로의 부분이 되도록 허용하는데 필요한 에너지 양으로 정의된다. 그림 2-15 다양한 태양전지 재료는 다양한 특성에너지 band-gap을 갖는다. band-gap 보다 큰 광자에너지는 자유전자를 만들기 위하여 흡수될 수 있고, band-gap 에너지 보다 작은 광자에너지는 재료를 통과하거나 열을 만든다.

그림 2-16 (a) 단결정 실리콘은 구조적으로 균일하다 ; 원자의 질서 배열에서 교란이 없다. (b) 다결정 실리콘은 여러 개의 결정 또는 그레인으로 구성된다. 그레인 또는 경계의 접촉면에서 원자의 질서는 붕괴된다. 전자는 전기회로에 기여하는 것 보다 정공에서 재결합된다.

태양전지의 장점 높은 신뢰도 적은 유지비용 그림 2-44 California Inyo National Forest의 원격지역에 설치된 통신기지국 그림 2-43 미국 Wyoming 주 Laramie 강의 태양전지 전원 수위 감시장치는 거의 보수없이 15년동안 신뢰적으로 작동.

환경친화적 적은 시공비용 모듈화 그림 2-46 브라질 Ceara 주의 Cacimbos 마을의 그림 2-45 주민들은 전력선으로부터 수 마일 떨어져 있으며, 각각의 집은 2개의 형광등에 충분한 전원을 공급하기 위한 50 W 태양전지 시스템을 갖고 있음. 그림 2-45 비상전원 시스템에 사용하는 태양전지로 모듈화의 장점을 나타냄. (Florida Solar Energy Center; FSEC가 1993년 허리케인 Andrew 후에 태양전지 모듈을 이동하는 모습)

태양전지 시스템과 밧데리 저장장치 사례연구 : 주택용 전기 그림 2-50 태양전지를 가정에 융합하는 것은 복잡한 문제가 아니다. 미국 에너지성 (DOE)에 의해 부분적으로 지원 받으며 Fully Independent Residential Solar Technology (FIRST) 사에 의해 인도되는 프로젝트는 태양전지 생산품을 증가하는 일반적인 모듈과 주택 시공을 연계하는 것을 중점으로 다룬다. 그림 2-49 가장 단순한 가로등용 태양전지와 밧데리 시스템, 태양전지 판넬은 낮 동안 전기를 생산하고 밤에 사용할 목적으로 전기를 저장한다.

계통연계형 태양전지시스템 사례연구 :에너지 효율성이 높은 주택 그림 2-54 그림 2-53 메사츄세추 주의 전력선과 연결된 태양전지 전력 주택은 1980년 이래로 문제없이 작동하고 있다. 이 주택의 소유자는4.5 kW 태양전지를 이용하여 생산된 잉여전기를 여름에 판매하고, 겨울에는 사들인 예비 에너지로 거의 균형을 맞춘다. 그림 2-53 지붕이 전력선과 연결된 태양전지 배열에 의하여 재충전되는 플로리다주의 남부에 위치한 전기자동차 정거장. 전기자동차의 충전이 필요하지 않을 때, 모듈로부터의 전기는 전력선으로 전달된다.

그림 2-57 공공전기를 생산하는 계통연계형 태양전지 발전 시스템

태양광발전 기술 현황 및 전망 국가별 연간 태양전지 생산량및 연간 태양전지 발전 설치량