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태양광- 한국에너지공단 자료

태양광

> 신·재생 에너지 분야 > 태양광 > 개요

태양전지란? 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로서 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사(照射) 하면 광전효과에의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것

개요

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
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)가 전자(電子:electron)와 정공(正孔:hole)에 의해
    이루어지는 물질로서 그의 전기저항률 즉 비저항(比抵抗)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 태양전지속으로 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 태양전지속을 움직이게 되지만, 전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)는 P형 반도체쪽으로 모이게 되어
    전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 됫면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가
    흐르게 되는 데 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 형성함으로서 만들어짐. 이 PN접합에 의해 전계(電界)가 발생함
  • 이 태양전지에 빛이 입사되면 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내부를 자유로이 이동하는 상태가 됨
  • 자유로이 이동하다가 PN접합에 의해 생긴 전계가 들어오게 되면 전자(-)는 N형 반도체에, 정공(+)은 P형 반도체에 이르게 됨. P형 반도체와 N형 반도체 표면에 전극을 형성하여 전자를 외부 회로로 흐르게하면 전류가 발생됨
태양전지의 역사
  • 1839년 E.Becquerel(프랑스)이 최초로 광전효과(Photovoltai ceffect)를 발견
  • 1870년대 H. Hertz의 Se의 광전효과연구이후 효율 1~2%의 Se cell이 개발되어 사진기의 노출계에 사용
  • 1940년대∼1950년대초 초고순도 단결정실리콘을 제조할 수있는 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 상업화 급진전
  • 현재 태양전지효율 7∼17%, 수명 20년 이상, 모듈가격 $6/W 내외, 발전단가 $0.25∼0.5/kWh
태양광의 특징 및 시스템 구성도
태양광의 특징 및 시스템 구성도
장점 단점
  • 에너지원이 청정·무제한
  • 필요한 장소에서 필요량 발전가능
  • 유지보수가 용이, 무인화 가능
  • 장수명(20년 이상)
  • 전력생산량이 지역별 일사량에 의존
  • 에너지밀도 낮아 큰 설치면적 필요
  • 설치장소가 한정적, 시스템 비용이 고가
  • 초기투자비와 발전단가 높음
태양광발전 시스템 구성도

태양광발전 시스템 구성도

설치사례
  • 대체에너지 지역에너지 사업 (태양광 발전)

    사업명
    : 대체에너지 지역에너지 사업 (태양광 발전)

    설치장소 및 내용
    : 광주광역시 조선대 기숙사 태양광시설 53㎾p

  • 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)

    사업명
    : 대체에너지 지역에너지 사업(태양광 발전)

    설치장소 및 내용
    : 삼척 세계동굴박람회장 태양광 시설 107kWp

태양광발전 시스템 구상도
  • 태양전지(solar cell, solar battery) : 재료에 따라 결정질 실리콘, 비정질실리콘, 화합물반도체 등으로 분류
    태양전지 구성도
  • 시스템이용 : 독립형, 계통연계형, 복합발전형

 

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