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태양광발전이란?

태양광 이용기술

태양광 발전은 태양의 빛에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 발전기술
- 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용한 발전방식

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

태양전지에 의한 발전원리

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

태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것

금속과 반도체의 접촉을 이용하는 것으로는 셀렌광전지, 아황산구리 광전지가 있고 반도체 pn접합을 사용한것으로는 태양전지로 이용되고 있는 실리콘광전지가 있음

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 경계 부분을 PN접합(PN-junction)이라 일컬음.

이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지속으로 흡수되며 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(hole)(+)과 전자(electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공, 전자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지속을 움직이지만 전자(-)는 N형 반도체쪽으로 , 정공(+)은 P형 반도체쪽으로 모이게 되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리.

PN접합에 의한 태양광 발전의 원리

대표적인 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘에 보론(boron: 붕소)을 첨가한 P형 실리콘 반도체를 기본으로 하여 그 표면에 인(Phosphorous)을 확산시켜 N형 실리콘 반도체층을 형성함으로서 만들어짐.
이 PN접합에 의해 전계가 발생함.

이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 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 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게 하면 전류가 발생됨

태양전지의 역사

1839년
EBecquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltaic effect)를 발견

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

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

1954년
Bell Lab에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발

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

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

현재
태양전지효율 15% 이상, 수명 20년 이상, 모듈가격 $1/W 내외, 발전단가 $0.15 ~ 0.25/kWh

태양광의 특징 및 시스템 구성도

특징
장점

에너지원이 청정 무제한

필요한 장소에서 필요량 발전가능

유지보수가 용이, 무인화 가능

긴수명(20년 이상)

단점

전력 생산량이 지역별 일사량에 의존

에너지 밀도가 낮아 큰 설치면적 필요

설치장소가 항정적, 시스템 비용이 고가

초기투자비와 발전단가 높음

태양광발전 시스템 구성도

  • 셀(Cell)
  • 모듈
  • 시스템
태양광발전 기술의 분류

태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물 반도체 등으로 분류

시스템이용 : 독립형, 계통연계형, 복합발전형