태양 전지 효율에 대한 꼭 알아야 할 가이드

A 태양 전지 태양광을 직접 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 이 변환은 반도체 재료, 일반적으로 실리콘의 광전지 효과를 활용하여 달성됩니다. 태양 전지는 재생 에너지 기술의 핵심 구성 요소이며 태양광 발전 시스템에서 널리 사용됩니다. 

다음 기사에서는 역사에 대한 개요를 제공합니다. 태양 전지 개발에 대한 내용을 다루고 현재까지의 주요 효율성 기록을 강조합니다.

차례
태양전지의 개발
분류
태양전지 효율
수년간 태양 전지의 세계 기록
실험실과 상업적 효율성의 차이
태양 전지 기술의 주요 동향
최대 포장

태양전지의 개발

의 역사 태양 전지 1800년대 후반으로 거슬러 올라가는데, 과학자들이 특정 PV 재료가 빛에 노출되면 전류를 생성할 수 있다는 것을 발견했습니다. 하지만 벨 연구소가 최초의 실용적인 실리콘 태양 전지를 성공적으로 개발한 것은 1954년이 되어서였습니다. 1960년대에 태양 전지는 우주선의 에너지 공급에 사용되기 시작하여 기술의 추가 개발을 촉진했습니다. 

상업화와 대중화는 1970년대에 시작되었으며, 에너지 위기가 도래하면서 태양 전지는 재생 에너지원으로 더 많은 주목을 받았습니다. 기술의 발전과 생산 비용의 감소로 태양 전지는 상업 및 주거용 애플리케이션에서 널리 사용되기 시작했습니다.

분류

단결정 실리콘 태양 전지: 그들은 단일 실리콘 결정으로 만들어졌으며 더 효율적이지만 비교적 비쌉니다. 그들은 일반적으로 높은 에너지 변환 효율과 긴 서비스 수명을 가지고 있습니다.

Polycrystalline silicon 태양 전지: 여러 개의 작은 실리콘 결정으로 만들어졌으므로 단결정 실리콘보다 효율성은 약간 떨어지지만 비용은 저렴합니다.

얇은 필름 태양 전지: 비정질 실리콘 또는 기타 재료(예: CdTe, CIGS)는 기판에 매우 얇은 층으로 덮여 있습니다. 이러한 셀은 저렴하지만 일반적으로 결정질 실리콘 셀보다 효율이 낮습니다.

신제품 태양 전지: 여기에는 유기 태양 전지, 칼코게나이드 태양 전지 등이 포함되며, 이는 더 낮은 제조 비용과 새로운 응용 가능성을 제공할 수 있습니다. 특히 칼코게나이드 전지는 새로운 돌파구를 가져올 수 있습니다.

태양전지 효율

태양 전지 효율성은 태양 전지가 햇빛을 전기로 얼마나 효율적으로 변환하는지를 나타내는 핵심 지표입니다. 구체적으로 말하면, 태양 전지가 생산한 전력과 태양 복사선에서 받는 전력의 비율입니다. 다시 말해, 태양 전지가 흡수한 태양 에너지 중 얼마나 많은 부분을 효율적으로 전기 에너지로 변환하는지를 설명합니다.

태양 전지 효율의 중요성

전원 출력: 효율이 높을수록, 같은 크기의 태양 전지는 동일한 조명 조건에서 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다.

비용 효율성: 효율성이 높아지면 태양광 발전의 단위 비용이 낮아지고, 이로 인해 태양광 발전은 경제적으로 경쟁력을 갖추게 됩니다.

공간 활용: 고효율 태양 전지는 제한된 공간에서 더 많은 전기를 생산할 수 있으며, 이는 옥상 태양광 시스템이나 소규모 설비와 같이 공간 제약이 있는 응용 분야에 특히 중요합니다.

효율성 개선 프로세스

태양 전지의 개발은 3단계로 나눌 수 있으며, 각 단계마다 고유한 기술적 혁신이 있습니다.

1단계: 결정질 실리콘 태양 전지

첫 번째 단계 태양 전지 주로 단결정 및 다결정 실리콘 소재를 기반으로 합니다. 초기 상용화된 실리콘 태양 전지의 효율은 약 6%였지만, 기술의 발전으로 현대의 단결정 실리콘 전지는 실험실 조건에서 22% 이상의 효율을 달성할 수 있었습니다.

성취 과정: 효율성 증가는 주로 실리콘 순도의 기술적 발전, 격자 구조의 최적화, 반사율 감소, 전극 설계 개선, 셀 내 에너지 손실 감소로 인한 것입니다.

2단계: 박막 태양 전지

Bowman의 태양 전지 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS), 카드뮴 텔루륨(CdTe) 및 비정질 실리콘 태양 전지가 포함됩니다. 이러한 박막 전지의 시작 효율은 일반적으로 약 10%로 낮지만 재료 및 공정 기술의 발전으로 CIGS 및 CdTe 전지의 실험실 효율은 23%를 초과했습니다.

이는 주로 박막 소재의 광 흡수 능력을 향상시키고, 캐리어 전달 효율을 개선하며, 셀 구조를 최적화하여 달성됩니다.

3단계: 칼슘 티타나이트 태양 전지

칼슘티타나이트 태양 전지 최근 몇 년 동안 가장 빠르게 성장하는 태양 전지 종류입니다. 2009년 첫 보고서 이후, 효율성은 초기 3.8%에서 오늘날 33.9% 이상으로 빠르게 증가했습니다.

효율성의 빠른 증가는 칼코게나이드 소재의 고유한 장점, 즉 높은 광 흡수 계수, 조절 가능한 밴드갭, 간단한 제조 공정 등에 기인합니다.

수년간 태양 전지의 세계 기록

개발 초기 단계 (2009~2012)

2009년 에너지 변환 효율 3.5%: 일본의 과학자 미야사카는 염료 감응형 태양 전지용 칼코게나이드 물질을 빛 흡수 물질로 사용했지만, 이 물질은 불안정하여 몇 분 후에 파괴되었습니다.

2011년 에너지 변환 효율 6.5%: 성균관대학교 박남규 교수팀은 칼코게나이드 태양 전지 기술을 개량하여 광전 변환 효율을 획기적으로 높였지만, 여전히 액체 전해질을 사용하고 있어 재료가 불안정하여 몇 분 후에는 효율이 80%나 감소했습니다.

2012년 에너지 변환 효율 10%: 옥스퍼드 대학의 헨리 스네이스 연구진은 수송 물질인 Spiro-OMeTA를 도입하여 칼코게나이드 전지의 고체 상태를 실현하고, 변환 효율을 더욱 향상시켰으며, 500시간 후에도 광전지 성능이 현저히 저하되지 않아 우수한 안정성 성능을 보였습니다.

초기개발단계(2012~2015)

2012에서옥스퍼드 대학의 헨리 스네이스는 전지 내부의 TiO2를 알루미늄(A1203OXNUMX)으로 대체했고, 그 이후로 방해석은 전지 내부에서 빛을 흡수하는 층이 될 뿐만 아니라 전하를 전달하는 반도체 소재 역할도 하게 되었습니다.

2013에서칼코게나이드는 10년 과학계에서 가장 큰 2013대 과학적 혁신 중 하나로 선정되었습니다.

2015년에는 에너지 변환 효율이 15%였습니다. 중국, 일본, 스위스는 협력하여 대면적(작업 면적 1CM2 이상) 칼코게나이드 태양 전지를 제작하였으며, 이는 국제 기관으로부터 인증을 받았습니다.

급속개발단계(2016-현재)

2016년 에너지 변환 효율 19.6%: 로잔에 있는 스위스 연방 공과대학의 Gratzel 교수 그룹은 인증된 효율성을 19.6%로 높였습니다.

2018년 에너지 변환 효율 23.7%: 중국과학원 반도체연구소에서는 칼코게나이드 표면 결함에 대한 유기염 수동화를 제안하여 변환 효율을 각각 23.3%, 23.7%로 증가시켰습니다.

2021년 에너지 변환 효율 29.8%: 헬름홀츠 센터 베를린(HZB)은 이기종 접합(HJT), TOPCon 등 결정질 실리콘 기술의 효율 한계를 넘어선 29.8%의 칼코게나이드 탠덤 배터리 변환 효율을 개발했습니다.

2022년 에너지 변환 효율 31.3%: 로잔 연방공과대학(EPFL)과 스위스 전자 및 마이크로기술 센터(CSEM)는 변환 효율이 31.3%인 칼코게나이드-실리콘 적층 태양광 전지를 개발했습니다.

2023년 에너지 변환 효율 33.9%: 중국 LONGi Green Energy Technology Co.가 독자적으로 개발한 결정질 실리콘-방해석 적층 셀의 효율은 33.9%에 도달하여 단일 접합 셀의 Shockley-Quayther(SQ) 이론 효율 한계인 33.7%를 넘어섰습니다.

실험실과 상업적 효율성의 차이

실험실 효율성과 상용화 효율성은 태양 전지 성능을 평가하는 두 가지 다른 지표이며, 두 지표 사이에는 몇 가지 주요 차이점이 있습니다.

실험실 효율성

정의:

실험실 효율성은 최대 효율성입니다. 태양 전지 이상적인 실험실 조건에서 측정합니다. 여기에는 일반적으로 특정 광도(1000 W/m²), 지정된 스펙트럼 분포 및 고정된 온도(일반적으로 25°C)와 같은 표준 테스트 조건(STC)이 포함됩니다.

형질:

실험실 효율성은 일반적으로 셀 성능을 극대화하도록 설정된 최적화된 테스트 조건에서 측정됩니다.

이러한 효율성은 전체 태양광 패널이나 시스템보다는 개별 셀이나 소규모 셀 샘플에 대해 측정되는 것이 일반적입니다.

실험실 효율성은 태양 전지의 기술적 잠재력의 상한을 반영합니다.

상용화 효율성

정의:

상용화 효율성은 평균 효율성입니다. 태양 전지 또는 실제로 생산되어 시장에 출시되는 태양 전지판입니다. 이는 소비자가 태양 전지 시스템을 구매하고 사용할 때 기대할 수 있는 성능 수준입니다.

형질:

상용화 효율성은 일반적으로 실험실 효율성보다 낮습니다. 왜냐하면 상용화 효율성은 대량 생산 과정에서 재료 변형, 제조 허용 오차, 장기 신뢰성 등 다양한 실질적인 요소를 고려해야 하기 때문입니다.

이러한 효율성은 다양한 온도, 조명 조건, 가능한 음영 등을 포함하여 실제 작동 조건에 더 가까운 조건에서 측정됩니다.

상용화된 효율성은 일상생활에서 사용되는 태양 전지의 실제 성능을 더 잘 반영합니다.

차이

효율성 : 실험실 효율성은 이상적인 조건에서 얻어지기 때문에 일반적으로 상업적 효율성보다 높습니다.

어플리케이션: 실험실 효율성은 새로운 기술 혁신을 촉진하기 위한 연구 개발에 주로 사용되는 반면, 상용화된 효율성은 실제 제품 성능과 시장 경쟁력에 초점을 맞춥니다.

비용 : 상용화된 효율성을 달성하려면 생산 비용과 대량 생산의 실현 가능성도 고려해야 하는데, 이는 일반적으로 실험실 효율성을 결정하는 데 중요한 고려 사항이 아닙니다.

태양 전지 기술의 주요 동향

미래의 획기적인 발전 태양 전지 기술은 효율성 개선, 비용 절감, 내구성 향상 및 다양한 애플리케이션의 요구 사항에 적응하는 데 중점을 두고 있습니다. 다음은 이러한 추세에 대한 자세한 전망입니다.

에너지 변환 효율 증가

다중 접합 태양 전지: 다양한 밴드갭을 가진 반도체 소재를 적층함으로써 다중 접합 태양 전지는 더 넓은 범위의 햇빛을 흡수할 수 있어 전반적인 효율을 개선할 수 있습니다. 앞으로는 더 많은 삼중 접합, 심지어 사중 접합 태양 전지가 보일 수도 있습니다.

칼코게나이드와 실리콘의 결합: 칼코게나이드 태양 전지와 기존 실리콘 전지를 결합해 하이브리드 또는 적층형 태양 전지를 구성하면 더 높은 효율과 더 나은 스펙트럼 응답을 제공할 수 있습니다.

비용 절감 및 지속 가능성 개선

대규모 생산: 기술이 성숙해지고 대량 생산이 실현됨에 따라 태양 전지 제조 비용은 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다.

재생 가능한 재료: 더욱 환경 친화적이고 재활용 가능한 소재에 대한 연구와 개발, 그리고 희귀하고 독성이 있는 소재에 대한 의존도를 낮추는 것은 태양 전지의 환경적 지속 가능성을 개선하는 데 도움이 될 것입니다.

향상된 내구성과 신뢰성

장기적 안정성 향상: 연구자들은 다양한 환경 조건에 대처하고 수명을 연장하기 위해 태양 전지의 장기 안정성과 내후성을 개선하는 것을 목표로 합니다.

자가치유 소재: 장기적으로 높은 효율성을 유지하기 위해 사소한 손상을 스스로 복구할 수 있는 태양 전지 소재를 개발합니다.

최대 포장

효율성 향상 태양 전지 특히 이 분야에 새로운 활력을 불어넣을 칼코게나이드 셀의 실질적 활용으로 인해 빠른 단계에 접어들었습니다. 태양 전지 효율의 지속적인 개선은 태양 기술 개발과 시장 채택을 주도하는 핵심 요소입니다. 

재료 과학의 혁신, 고급 셀 설계 및 제조 기술의 발전을 통해 태양 전지는 더욱 효율적이고 비용 효율적이며 신뢰할 수 있게 되었습니다. 효율성이 더욱 향상되고 새로운 기술이 적용됨에 따라 가정과 기업에 더욱 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 에너지 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대합니다.

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