태양 전지

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배경

광전지 태양 전지는 햇빛을 전기로 변환하는 얇은 실리콘 디스크입니다. 이 디스크는 다음을 포함하여 다양한 용도의 에너지원 역할을 합니다. 계산기 및 기타 소형 장치; 통신; 개별 주택의 옥상 패널; 개발 도상국의 마을을 위한 조명, 펌핑 및 의료 냉동. 대형 어레이 형태의 태양 전지는 위성에 전력을 공급하고 드문 경우지만 발전소에 전기를 공급하는 데 사용됩니다.

전기에 대한 연구가 시작되고 간단한 배터리가 만들어지고 연구되던 시기에 태양광 발전에 대한 연구는 놀라울 정도로 빠르게 뒤따랐습니다. 1839년에 Antoine-Cesar Becquerel은 화학 배터리 를 노출시켰습니다. 전압을 생산하는 태양에. 태양광을 전기로 변환하는 첫 번째 작업은 1퍼센트의 효율이었습니다. 즉, 들어오는 햇빛의 1%가 전기로 변환됩니다. 1873년 Willoughby Smith는 셀레늄이 빛에 민감하다는 것을 발견했습니다. 1877년 Adams와 Day는 셀레늄이 빛에 노출되면 전류를 생성한다는 사실에 주목했습니다. 1880년대에 Charles Fritts는 첫 번째 태양 전지를 만들기 위해 금으로 코팅된 셀레늄을 사용했지만 다시 1%만 효율을 보였습니다. 그럼에도 불구하고 Fritts는 그의 세포가 혁명적이라고 생각했습니다. 그는 태양 전지가 발전소를 개별 전원 주택으로 대체할 것이라고 예측하면서 무료 태양 에너지를 분산화 수단으로 구상했습니다.

1905년 알버트 아인슈타인이 광전 효과(금속이 빛에서 에너지를 흡수하고 너무 많은 빛이 닿을 때까지 그 에너지를 유지함)에 대한 설명으로 더 높은 효율의 태양열 전기가 실현 가능해질 것이라는 희망이 다시 솟아올랐습니다. 그러나 다이오드와 트랜지스터에 대한 연구가 Bell 과학자인 Gordon Pearson, Darryl Chapin 및 Cal Fuller가 1954년에 4% 효율의 실리콘 태양 전지를 생산하는 데 필요한 지식을 얻을 때까지 거의 진전이 없었습니다.

추가 작업을 통해 전지의 효율을 최대 15%까지 끌어 올렸습니다. 태양 전지는 조지아의 외딴 도시인 Americus에서 전화 중계 시스템의 전원으로 처음 사용되었으며 여러 해 동안 성공적으로 사용되었습니다.

국내 에너지 수요를 충분히 충족시킬 수 있는 태양전지는 아직 개발되지 않았지만 인공위성에 에너지를 공급하는 데 성공했다. 연료 시스템과 일반 배터리는 모든 온스가 중요한 프로그램에서 너무 무거웠습니다. 태양 전지는 다른 모든 기존 에너지원보다 무게 1온스당 더 많은 에너지를 제공하며 비용 효율적입니다.

소수의 대규모 태양광 발전 시스템만 설치되었습니다. 대부분의 노력은 정교한 전력의 다른 수단이 없는 오지에 태양 전지 기술을 제공하는 데 기울고 있습니다. 매년 약 50메가와트가 설치되지만 태양 전지는 약 50메가와트만 제공합니다. 현재 생산되는 모든 전력의 1%. 태양 에너지 지지자들은 매년 지구 표면에 도달하는 태양 복사의 양이 우리가 필요로 하는 모든 에너지를 몇 배 이상 쉽게 공급할 수 있다고 주장하지만, 태양 전지는 완전히 접근 가능한 무료 태양열 전기에 대한 Charles Fritts의 꿈을 이루기까지는 갈 길이 멉니다. .

원자재

태양 전지의 기본 구성 요소는 순수 실리콘으로 자연 상태에서는 순수하지 않습니다. 태양 전지를 만들기 위해 원료인 규암 자갈 또는 분쇄된 석영의 이산화규소를 먼저 탄소 아크가 산소를 방출하기 위해 적용되는 전기 아크로. 제품은 이산화탄소와 용융 실리콘입니다. 이 시점에서 실리콘은 여전히 ​​태양 전지에 사용하기에 충분히 순수하지 않으며 추가 정제가 필요합니다. 순수한 실리콘은 규암 자갈(가장 순수한 실리카) 또는 분쇄된 석영과 같은 이산화규소에서 파생됩니다. 생성된 순수한 실리콘은 인과 붕소로 도핑(처리)되어 각각 과잉 전자와 부족 전자를 생성하여 전기를 전도할 수 있는 반도체를 만듭니다. 실리콘 디스크는 광택이 있으며 일반적으로 이산화티타늄과 같은 반사 방지 코팅이 필요합니다.

태양광 모듈은 금속 프레임의 보호 재료로 둘러싸인 실리콘 반도체로 구성됩니다. 보호 재료는 투명한 실리콘 고무 또는 부티릴 플라스틱(일반적으로 자동차 앞유리에 사용됨) 캡슐로 구성되어 있습니다. 세포 주위에 결합된 다음 에틸렌 비닐 아세테이트에 내장됩니다. 폴리에스터 필름(예:마일라 또는 테들러)이 지지체를 구성합니다. 유리 덮개는 지상파 어레이에서 발견되고, 위성 어레이에서는 경량 플라스틱 덮개가 발견됩니다. 전자 부품은 표준이며 대부분 구리로 구성됩니다. 프레임은 스틸 또는 알루미늄입니다. 규소는 모든 것을 합치는 시멘트로 사용됩니다.

제조
프로세스

실리콘 정제

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1 규암 자갈 또는 쇄석의 이산화규소를 전기로에 넣는다. 그런 다음 탄소 아크가 적용되어 산소를 방출합니다. 제품은 이산화탄소와 용융 실리콘입니다. 이 간단한 공정은 1%의 불순물을 포함하는 실리콘을 생산하며 많은 산업에서 유용하지만 태양 전지 산업에서는 유용하지 않습니다.

2 순도 99%의 실리콘은 플로팅 존 기술을 사용하여 더욱 정제됩니다. 불순한 실리콘 막대가 같은 방향으로 여러 번 가열 영역을 통과합니다. 이 절차는 각 패스에서 불순물을 한쪽 끝으로 "끌어당깁니다". 특정 지점에서 실리콘은 순수한 것으로 간주되고 불순한 끝은 제거됩니다.

단결정 실리콘 만들기

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3 태양 전지는 단결정의 원자 구조를 갖는 다결정 구조인 실리콘 부울로 만들어집니다. boule을 만드는 데 가장 일반적으로 사용되는 프로세스는 Czochralski 방법이라고 합니다. 이 과정에서 실리콘의 종결정이 용융된 다결정 실리콘에 침지됩니다. 시드 결정을 빼내고 회전시키면 원통형 잉곳 또는 실리콘 "불"이 형성됩니다. 회수된 잉곳은 불순물이 액체에 남아 있는 경향이 있기 때문에 비정상적으로 순수합니다.

실리콘 웨이퍼 만들기

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4 boule에서 내경이 막대로 절단되는 원형 톱을 사용하여 실리콘 웨이퍼를 한 번에 하나씩 슬라이스하거나 다중 와이어 톱으로 한 번에 여러 개를 절단합니다. (다이아몬드 톱은 웨이퍼만큼 넓은 절단을 생성합니다. 두께는 5mm입니다.) boule에서 완성된 원형 웨이퍼까지 실리콘의 약 1/2만 손실됩니다. 웨이퍼가 직사각형으로 절단되거나 육각형. 직사각형 또는 육각형 웨이퍼는 서로 완벽하게 맞춰질 수 있으므로 태양 전지 전면의 사용 가능한 모든 공간을 활용할 수 있기 때문에 때때로 태양 전지에 사용됩니다. 초기 정제 후 실리콘은 플로팅 존 공정에서 더욱 정제됩니다. 이 과정에서 실리콘 막대는 가열된 영역을 여러 번 통과하여 불순물을 막대의 한쪽 끝으로 '끌어가는' 역할을 합니다. 그런 다음 불순한 끝을 제거할 수 있습니다.
다음으로 실리콘 시드 결정은 초크랄스키(Czochralski) 성장 장치에 넣어 용융된 다결정 실리콘에 담그십시오. 종자 결정이 인출될 때 회전하여 매우 순수한 실리콘의 원통형 잉곳을 형성합니다. 그런 다음 웨이퍼는 잉곳에서 슬라이스됩니다.

5 그런 다음 웨이퍼를 연마하여 톱니 자국을 제거합니다. (최근에 거친 셀이 빛을 더 효과적으로 흡수한다는 사실이 밝혀졌기 때문에 일부 제조업체에서는 웨이퍼를 연마하지 않기로 결정했습니다.)

도핑

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6 붕소와 인으로 실리콘 웨이퍼를 도핑(불순물 추가)하는 전통적인 방법은 위의 3단계에서 Czochralski 공정 동안 소량의 붕소를 도입하는 것입니다. 그런 다음 웨이퍼를 연속적으로 밀봉하고 인 가스가 있는 상태에서 실리콘의 녹는점(화씨 2,570도 또는 섭씨 1,410도) 약간 아래로 가열할 용광로에 넣습니다. 인 원자는 실리콘 속으로 파고 들어가는데, 실리콘은 액체가 되기 쉽기 때문에 더 다공성입니다. 공정에 주어진 온도와 시간은 적절한 깊이의 균일한 접합을 보장하기 위해 신중하게 제어됩니다.

인으로 실리콘을 도핑하는 보다 최근의 방법은 작은 입자 가속기를 사용하여 인 이온을 잉곳에 쏘는 것입니다. 이온의 속도를 제어하여 침투 깊이를 제어할 수 있습니다. 그러나 이 새로운 프로세스는 일반적으로 상업용 제조업체에서 수용되지 않습니다.

전기 접점 배치

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7 전기 접점은 각 태양 전지를 다른 전지와 생산된 전류의 수신기에 연결합니다. 접촉부는 셀에 햇빛을 차단하지 않도록 매우 얇아야 합니다(적어도 전면에서는). 팔라듐/은, 니켈 또는 구리와 같은 금속은 진공 증발됩니다. 이 그림은 일반적인 태양 전지의 구성을 보여줍니다. 세포는 에틸렌 비닐 아세테이트로 캡슐화되고 마일라 백시트와 유리 덮개가 있는 금속 프레임에 배치됩니다. 포토레지스트, 실크스크린 또는 왁스로 부분적으로 덮인 세포의 노출된 부분에 단순히 증착된 것을 통해. 세 가지 방법 모두 접촉이 바람직하지 않은 셀 부분은 보호하고 나머지 셀은 금속에 노출시키는 시스템을 포함합니다.

8 접점이 제자리에 있으면 얇은 스트립("손가락")이 셀 사이에 놓입니다. 가장 일반적으로 사용되는 스트립은 주석 코팅된 구리입니다.

반사 방지 코팅

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9 순수한 실리콘은 광택이 나기 때문에 햇빛의 35%까지 반사할 수 있습니다. 손실되는 햇빛의 양을 줄이기 위해 반사 방지 코팅이 실리콘 웨이퍼에 적용됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 코팅은 이산화티타늄과 산화규소이지만 다른 코팅도 사용됩니다. 코팅에 사용된 재료는 분자가 끓어올라 실리콘으로 이동하여 응축될 때까지 가열되거나 재료가 스퍼터링을 겪을 수 있습니다. 이 과정에서 고전압이 분자를 물질에서 떨어뜨리고 반대쪽 전극의 실리콘에 증착합니다. 또 다른 방법은 실리콘 자체가 산소 또는 질소 함유 가스와 반응하여 이산화규소 또는 질화규소를 형성하도록 하는 것입니다. 상업용 태양 전지 제조업체는 질화 규소를 사용합니다.

셀 캡슐화

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10 완성된 태양 전지는 캡슐화됩니다. 즉, 실리콘 고무 또는 에틸렌 비닐 아세테이트로 밀봉됩니다. 캡슐화된 태양 전지는 마일라 또는 테들러 백시트와 유리 또는 플라스틱 덮개가 있는 알루미늄 프레임에 배치됩니다.

품질 관리

많은 공정과 요인의 불일치가 전지의 전체 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 품질 관리는 태양 전지 제조에서 중요합니다. 주요 연구 목표는 더 긴 수명 동안 각 태양 전지의 효율을 향상시키는 방법을 찾는 것입니다. 저비용 태양 전지판 프로젝트(1970년대 후반 미국 에너지부가 시작)는 태양 전지 비용을 낮추는 것을 목표로 하는 민간 연구를 후원했습니다. 실리콘 자체는 ​​순도, 결정 방향 및 저항에 대해 테스트됩니다. 제조업체는 또한 산소(강도 및 뒤틀림에 대한 저항에 영향을 미침)와 탄소(결함을 유발함)의 존재 여부를 테스트합니다. 완성된 실리콘 디스크는 톱질, 연마 및 에칭 중에 발생할 수 있는 손상, 박편 또는 굽힘이 있는지 검사합니다.

전체 실리콘 디스크 제조 공정 동안 온도, 압력, 속도 및 도펀트의 양이 지속적으로 모니터링됩니다. 또한 공기 및 작업 표면의 불순물이 최소화되도록 조치를 취합니다.

그런 다음 완성된 반도체는 각각의 전류, 전압 및 저항이 적절한 표준을 충족하는지 확인하기 위해 전기 테스트를 거쳐야 합니다. 태양 전지의 초기 문제는 부분적으로 음영 처리되면 작동을 멈추는 경향이 있다는 것입니다. 이 문제는 셀에 위험할 정도로 높은 전압을 감소시키는 션트 다이오드를 제공함으로써 완화되었습니다. 그런 다음 부분적으로 음영 처리된 접합을 사용하여 션트 저항을 테스트해야 합니다.

태양광 모듈의 중요한 테스트에는 테스트 셀에 정상적인 조건에서 만날 수 있는 조건과 빛의 강도를 제공한 다음 제대로 작동하는지 확인하는 것이 포함됩니다. 세포는 또한 열과 추위에 노출되고 진동, 비틀림 및 우박에 대해 테스트됩니다.

태양광 모듈의 최종 테스트는 완성된 모듈을 실제로 사용할 위치에 배치하는 현장 테스트입니다. 이것은 연구원에게 가장 중요한 요소인 주변 조건에서 태양 전지의 효율성과 태양 전지의 유효 수명을 결정하기 위한 최상의 데이터를 제공합니다.

미래

상대적으로 비싸고 비효율적인 태양 전지의 현재 상태를 고려할 때 미래는 개선될 수 있습니다. 일부 전문가들은 2000년까지 10억 달러 규모의 산업이 될 것이라고 예측합니다. 이 예측은 일본, 독일, 이탈리아와 같은 국가에서 더 많은 옥상 태양광 시스템이 개발되고 있다는 증거에 의해 뒷받침됩니다. 멕시코와 중국에서 태양 전지 제조를 시작할 계획이 수립되었습니다. 마찬가지로 이집트, 보츠와나, 필리핀(3개 모두 미국 기업의 지원)은 태양 전지를 제조할 공장을 건설하고 있습니다.

현재 대부분의 연구는 태양 전지 비용을 줄이거나 효율성을 높이는 것을 목표로 합니다. 태양 전지 기술의 혁신에는 값 비싼 결정질 실리콘 전지에 대한 더 저렴한 대안을 개발하고 제조하는 것이 포함됩니다. 이러한 대안에는 광합성을 모방하는 태양광 창과 작은 비정질 실리콘 볼로 만든 더 작은 전지가 포함됩니다. 이미 비정질 실리콘과 다결정 실리콘이 단결정 실리콘을 대신하여 인기를 얻고 있습니다. 프리즘 렌즈를 통해 그늘을 최소화하고 햇빛을 집중시키는 것을 포함한 추가 혁신. 여기에는 다양한 주파수의 빛을 흡수하여 전기 생산에 효과적으로 사용되는 햇빛의 양을 증가시키는 다양한 재료(특히 갈륨 비소 및 실리콘)의 층이 포함됩니다.

몇몇 전문가들은 하이브리드 주택의 적응을 예상합니다. 즉, 태양열 온수기, 수동 태양열 난방 및 태양 전지를 사용하여 에너지 요구 사항을 줄이는 주택입니다. 또 다른 견해는 궤도에 점점 더 많은 태양 전지판을 배치하는 우주 왕복선, 지구 태양 전지판 농장에 전력을 공급하는 태양광 발전 위성, 심지어 지구에서 사용할 태양 전지판을 제조할 우주 식민지에 관한 것입니다.