[태양광 산업의 기술 및 동향 ②] 태양전지 패널의 종류와 그 특징

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[태양광 산업의 기술 및 동향 ②] 태양전지 패널의 종류와 그 특징

2013년 10월 2일 (수) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2013년 10월호 - 전체 보기 )

[태양광 산업의 기술 및 동향 ②]
태양전지 패널의 종류와 그 특징

태양광 발전은 재생 가능 에너지를 이용한 전원의 하나로서 풍력발전과 함께 지구 온난화 등 환경문제의 대책, 에너지의 안전보장, 산업육성, 고용대책 등의 관점에서 세계 각국에서 그 개발과 보급이 추진되고 있다. 본고에서는 태양광 발전 시스템의 주요구성 부품인 태양전지의 종류와 태양광 모듈의 조립 공정 및 그 구조를 설명하고, 세계 태양광 발전의 종류별 생산량 추이, 국내 태양전지의 종류별·용도별 출하량에 대해 알아본다. 또 태양전지를 구성 재료에 따라 분류하고 그 종류와 특징에 대해 살펴본다. 마지막으로 태양전지 모듈의 인증제도 구축 노력과 그 내용을 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

태양광 발전 시스템의 구성

태양광 발전은 햇살을 통한 광전효과로 기전력을 발생시키는 태양전지 셀을 다수의 직병렬로 연결해 인버터에 의해 직류를 교류로 변환시켜 전력계통에 연계한다. 태양광 발전 시스템을 구성하는 기기는 주로 태양전지 어레이, 파워 컨디셔너, 접속함 등이며, 크게 구분해‘상용전력계통’과 독립인지 연계인지에 따라‘독립형’과‘계통연계형’으로 나뉜다. 파워 컨디셔너를 중심으로 한 각각의 기본구성과 그 종류를 <그림 1, 2>에 나타냈다. 계통연계형의 경우 수전방식에 따라 특별고압수전, 고압수전, 저압수전으로 분류되며, 연계방식에 의해 고압연계, 간주연계, 저압연계, 그리고 전기방식에 따른 각각의 3상 출력과 단상 출력으로 분류된다.

파워 컨디셔너

파워 컨디셔너는 일반적으로 태양전지셀로 발전한 직류전력을 상용의 교류전력과 같은 주파수, 전압으로 변환시키는 인버터를 포함한 기기를 가리킨다. 소출력용으로서 계통연계형 파워 컨디셔너로 사용되고 있는 사례로 태양전지 어레이에서 광범위한 직류전압에 대응하기 위한 승압 컨버터를 포함해 직류전력을 교류로 변환시키는 인버터, 연계보호·단독운전 검출, 햇빛의 강도 변화에 따른 태양전지 어레이의 최대출력 동작점 변화를 따라잡기 위한 최대전력점 추종(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 제어 등의 기능을 내장하고 있는 것이 일반적이다.(<그림 2>(b) 참조)

태양전지셀, 모듈, 어레이

<그림 3>에 태양전지의 대표적인 예로서 실리콘 결정계 태양전지를 나타내었다. 태양전지란 예를 들어 P형 반도체의 다결정 실리콘 웨이퍼의 수광면(표면)에 N형 불순물 확산에 의해 N형 반도체를 형성하는 것으로, P-N 접합구조를 형성하고 표면에는 그리드 전극, 뒷면에는 이면전극을 형성하는 하나의 커다란 다이오드 소자인 수십 장의 태양전지셀을 직병렬로 연결하여 프레임에 수납한 제품을 우리는‘태양전지 모듈’이라고 부른다. 이 태양전지 모듈의 여러 장을 기계적으로 결합해 결선한 것을 ‘태양전지 패널’이라고 부른다. 또한 태양전지 모듈 혹은 태양전지 패널의 여러 장을 소정의 시스템 출력전압 및 출력전류를 얻을 수 있도록 배선으로부터 직병렬로 조합해 발판 또는 기초 등에 설치한 것을‘태양전지 어레이’라고 부른다.

태양전지 모듈의 구조와 조립 공정
<그림 4>에서는 실리콘 결정계 태양전지를 하나의 예를 들어 태양전지 모듈의 조립 공정 사례(a)와 모듈의 단면구조도(b)를 모식적으로 나타냈었다. 태양전지셀은 인터 커넥트라고 하는 셀 접속 금속 부품에 의해셀의 표면전극과 인접하는 셀의 이면전극이 순차적으로 직렬 접속한다. 직렬 접속된 셀군은 강화유리상에서 투명수지에 매립되어 뒷면 필름이 첩부된다. 이어 주변이 알루미늄 프레임으로 고정되어 태양전지 모듈이 완성된다. 태양전지 모듈과 다른 태양전지 모듈은 단자 박스의 경유로 케이블 접속된다. 모듈의 단면구조도(b)에서 인터 커넥트로 표면과 뒷면이 번갈아가며 직렬 접속된 태양전지셀이 유리와 뒷면 필름 사이에 배치되는 것을 알 수가 있다. 세계시장, 국내시장에서의 태양전지 종류 세계시장, 국내시장에서 태양전지의 종류로는 어떠한 것들이 있고, 어떤 종류의 태양전지가 어느 정도의 비율로 사용이 되고 있는지 다음 아래에서 살펴본다.

세계시장에서 태양전지의 종류

<그림 5>는 최근 10년간 세계에서의 태양전지 생산량의 추이를 태양전지셀의 종류별로 표시한 것이다. 2008년의 세계시장에서 본 상위 5순위에 들어가는 셀의 종류와 점유율은 ①다결정 실리콘 48% ②단결정 실리콘 34% ③화합물 박막(CdTe+CIS) 8% ④실리콘 박막(어모퍼스Amorphous<a-Si>과 미결정과의 다접합<=하이브리드>을 포함) 5% ⑤a-Si/단결정 실리콘 3%이다. 다결정 실리콘, 단결정 실리콘, a-Si/단결정 실리콘, 실리콘 리본 등 실리콘 결정계가 총 합계 87%를 차지한다. 근년에 실리콘 원료의 공급 부족 문제를 배경으로 박막 태양전지는 2005년의 6%에서 2008년의 12%로 그 점유율을 높이고 있다. 특히 화합물 박막의 CdTe 태양전지는 이 시기에서 약 4배로 급격한 상승세를 보이고 있다.

국내시장에서 태양전지의 종류

<표 1>은 2009년 국내에서 태양전지의 종류별, 용도별 출하량을 나타낸 것이다. 국내의 태양전지셀의 종류와 점유율은 각각 실리콘 다결정 71%, 실리콘 단결정 26%, 화합물 박막 외 2%, 실리콘 박막 1%이며, 이는 실리콘 다결정과 실리콘 단결정만으로 97%의 점유율을 차지하는 격이다. 해외와 비교해 실리콘 결정계의 비율이 높은내용도의 약 90%가 설치면적이 제한된 개인주택용이라는 특수성으로 인해, 변환 효율이 비교적 높은 실리콘 결정계 태양전지가 우선적으로 설치되었기 때문이다.

태양전지셀의 종류와 특징

태양전지셀은 사용되는 재료에 따라 실리콘계, 화합물계, 기타 재료로 분류된다.(<그림 6> 참조) 실리콘계는 또한 단결정, 다결정의 2종류로 구성되는 결정계와 어모퍼스 또는 어모퍼스와 미결정 2종의 박막 재료를 중첩한 탠덤(2접합) 또는 트리플(3접합)셀 등의 다접합 구조가 박막계에 포함된다. 화합물계는 주로 우주용 고효율 셀에 사용되어온 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 다접합 단결정 셀과 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 원소의 화합물 CuInGaSe₂등(<그림 5>에서는 CIS로 약칭), Ⅱ-Ⅵ족 원소의 화합물 CdTe 등으로 구성되는 다결정 박막셀로 분류된다. 그 외의 기타 재료로는 착체錯體색소와 무기 재료 TiO₂등의 조합으로 구성되는 색소 증감 태양전지, 유기 도너, 억셉터Acceptor(수용체) 재료 등의 적층으로 구성되는 유기박막셀 등이 포함된다. <표 2>에서는 <그림 6>의 분류에 따라 실리콘계, 화합물계, 기타 재료의 태양전지의 종류와 시판 모듈의 변환 효율 및 특징 등을 기재했다. 실리콘계와 화합물계의 태양전지는 이미 시판이 되고 있는 중이지만, 기타 재료의 색소증감 및 유기박막은 연구개발 중이기 때문에 전력용으로서는 아직 생산되고 있지 않다. 최근 몇 년간 원료 실리콘인 폴리실리콘의 공급이 태양전지의 생산을 따라잡지 못하여 부족으로 인해 물가가 올랐지만 2009년부터 서서히 폴리실리콘의 공급체제가 갖추어지고 있다. 당분간 결정계가 생산의 주체로 머무르며 메가솔라 등의 대형 발전사업 용도로 저렴한 비용이라는 장점을 내세워 실리콘 박막계, 화합물 박막계의 채용도 점차 진전될 것으로 전망된다. 여기서 다루고 있는 주제의 범위에서 벗어나므로 <그림 6>과 <표 2>에 따로 기재하지는 않았지만, 2030년 이후를 주시하여 예를 들어 양자점등을 이용하여 한 개의 광자光子로부터 다수의 여기자(엑시톤)를 생성하는 태양전지등 기존에는 없었던 새로운 개념들에 의해 이론 효율이 40%가 넘는 차세대 태양전지의 연구도 개시되었지만, 현시점에서는 아직 기존 태양전지의 변환 효율을 뛰어넘는 수준의 개발은 보이지 않고 있다. 앞으로 장차 이 연구 분야에서의 진전이 기대되는 바이다. 태양전지 모듈 인증제도 인증제도는 중립적이고 공정한 인증기관이 시행하는 인증시험과 공장 조사에 합격한 제품 모델에 대해 인증서가 발행이 되는 구조이다. 2004년부터 국제적으로 태양광 발전 적합성 평가 계획이 실시되었고, 국내에서도 ㈜일본전기공업회(JEMA)가 중심이 되어 태양전지 모듈 인증제도의 구축을 적극적으로 추진해온 바 있다. 태양발전 모듈 인증은 모듈의 전기적·온도적 특성을 결정하고 옥외폭로 시험, UV시험, 온도 사이클 시험, 결로 동결시험, 고온고습 시험, 강박降雹시험 등의 장기간 옥외설치에 견딜 수 있음을 나타내는‘성능 인증’과 태양전지 모듈이 그 수명을 통해 전기적·기계적으로 안전한 운전을 달성함을 나타내는‘안전성 인증’의 두 가지로 분류된다. 안전성 인증에서는 위의 성능 인증시험 항목에 추가해 접근성 시험, 절단성 시험, 접지연속성 시험, 임펄스 전압 시험, 부분방전 시험, 온도시험, 화재시험, 역전류 과부하 시험, 충격파괴 시험, 배선관 굽힘 시험, 단자함 녹아웃Knockout 시험 등이 규정되어 있다. <사진 1>은 안정성 인증의 화재시험에 대한 실시 예로 인근에서의 비화飛火(불똥) 대응 평가를 하기 위한 비화 시험의 실시 상황을 나타낸 사진이다. 인증시험 규격은 해외기관의 인증 취득의 편이성을 고려하여 IEC규격에 맞는 국내의 규격이 채용되고 있다. <표 3>에 국제 규격과 JIS의 대응을 나타내었다. 국내에서는 2009년 4월부터 성능 인증 및 안전성 인증의 동시취득이 필수사항이 되었다.