박막 태양 전지에 대해 무엇을 알고 있습니까?

What Do We Know About Thin Film Solar Cells?

박막 태양 전지에 대해 무엇을 알고 있습니까?

 

Thin film solar cells are a next-generation solution for the renewable energy industry. They possess several benefits over conventional crystalline photovoltaic solar cell technologies, but there are still some limitations to these devices. This article will provide an overview of thin film solar cell technology, materials, applications, benefits, disadvantages, as well as some recent advances in the field.

박막 태양전지는 재생에너지 산업의 차세대 솔루션이다. 기존의 결정질 태양광 전지 기술에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있지만, 이러한 장치에는 여전히 몇 가지 한계가 있다. 이 기사에서는 박막 태양전지 기술, 재료, 응용, 장점, 단점, 그리고 이 분야의 최근 몇 가지 발전에 대한 개요를 제공할 것이다.

Image Credit: luchschenF/Shutterstock.com

What are Thin Film Solar Cells? / 박막 태양 전지란 무엇인가?

 

Thin film solar cells are second-generation devices that are produced by depositing one or more thin layers of photovoltaic materials on a substrate. Common substrates utilized for these photovoltaic devices are plastic, metal, and glass. These devices consist of a photovoltaic material, conductive layer, and a protective sheet.

박막태양전지는 기판 위에 하나 이상의 얇은 태양광 물질을 증착하여 제조되는 2세대 소자이다. 이러한 태양광 장치에 사용되는 일반적인 기판은 플라스틱, 금속 및 유리이다. 이러한 소자는 태양광 물질, 도전층 및 보호 시트로 구성된다.

 

Layers can vary in thickness, from a few nanometers to several micrometers. This is much thinner than conventional crystalline solar cells, which can be up to 200 µm in thickness. They were originally proposed in 1970, but research officially commenced in 1972. By 1980 researchers were achieving 10% efficiency, and the first commercial panel was released in 1986.

층의 두께는 수 나노미터에서 수 마이크로미터까지 다양하다. 이는 두께가 최대 200μm에 이르는 기존 결정형 태양전지보다 훨씬 얇다. 1970년에 처음 제안되었으나, 1972년에 공식적으로 연구가 시작되었다. 1980년까지 연구원들은 10%의 효율성을 달성했고, 최초의 상업용 패널은 1986년에 출시되었다.

 

Materials / 재료

 

Less semiconductor material is required in the manufacture of thin film solar cells. Strong light-absorbing materials are used in these devices, with the most common being cadmium telluride, copper indium gallium selenide, amorphous silicon, and gallium arsenide. Organic photovoltaic cells have also been explored.

박막 태양전지 제조에 필요한 반도체 재료는 적다. 이러한 장치에는 강력한 광흡수 물질이 사용되며, 가장 일반적인 것은 텔루르화 카드뮴, 셀레늄 구리 인듐, 비정질 규소, 비화 갈륨이다. 유기 광전지 또한 연구되었다.

 

Advantages / 장점

 

These devices have several key advantages over conventional photovoltaic solar cell technologies. Firstly, they are more lightweight than crystalline silicon cells. Thin film devices can be manufactured with enhanced flexibility, giving them more applications than conventional devices. Additionally, they are potentially cheaper due to the ease of mass production.

이러한 장치들은 종래의 태양광 태양전지 기술에 비해 몇 가지 주요 이점을 갖는다. 첫째로, 그것들은 결정질 실리콘 셀보다 더 가볍다. 박막 장치는 기존 장치보다 더 많은 응용 프로그램을 제공하면서 향상된 유연성으로 제조될 수 있다. 또한 대량 생산이 용이하기 때문에 가격이 더 저렴할 수 있다.

 

Disadvantages / 단점

 

This technology possesses some limitations compared to its crystalline counterparts, however. The main issue is with their efficiency, which generally tends to be between 7-18%. The upper limit of crystalline silicon solar cells is 29%, nearly double the efficiency of thin films. Theoretically, however, they could achieve higher efficiency than other technologies, and recent advances have helped to realize parity between these devices and their crystalline counterparts.

그러나 이 기술은 결정질 기술에 비해 몇 가지 한계를 가지고 있다. 주요 문제는 효율성에 있으며 일반적으로 7-18%인 경향이 있다. 결정질 실리콘 태양전지의 상한이 29%로 박막 효율의 2배 가까이 된다. 그러나 이론적으로는 다른 기술보다 높은 효율성을 달성할 수 있으며, 최근의 발전은 이러한 장치와 결정성 장치 간의 동등성을 실현하는 데 도움이 되었다.

 

Cadmium telluride panels have the lowest carbon footprint of such technologies, but they contain cadmium, a toxic element, requiring special precautions during manufacture, installation, and disposal. Additionally, Telluride is an extremely rare element. Some of these devices are still expensive to manufacture compared to conventional technologies.

카드뮴 텔루라이드 패널은 이런 기술 중 탄소 발자국이 가장 낮지만 유독원소인 카드뮴을 함유하고 있어 제조·설치·폐기 시 각별한 주의가 요구된다. 게다가 텔루라이드는 극히 희귀한 원소이다. 이러한 장치 중 일부는 기존 기술에 비해 여전히 제조 비용이 많이 든다.

 

Another issue is space. Due to their lower efficiency, more panels are needed to achieve the same power conversion as silicon-based solar cells. This limits their use in domestic dwellings, which still commonly use silicon technologies to meet their power demands. Their low space efficiency requires the use of enhancer technologies, which can be complex and expensive to install.

또 다른 문제는 공간이다. 낮은 효율로 인해 실리콘 기반 태양전지와 동일한 전력 변환을 달성하기 위해서는 더 많은 패널이 필요하다. 이것은 전력 수요를 충족시키기 위해 여전히 일반적으로 실리콘 기술을 사용하는 가정 주택에서의 사용을 제한한다. 공간 효율이 낮기 때문에 인핸서 기술을 사용해야 하는데, 설치가 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다.

 

The shorter lifespan of these devices hinders their widespread commercial application. This requires thin film panels to be replaced more frequently, increasing maintenance costs, and consequently shorter warranty periods are offered to consumers, making them more reluctant to use the technology.

이러한 장치의 수명이 짧기 때문에 광범위한 상업적 적용을 방해한다. 이를 위해서는 박막패널을 더 자주 교체해야 해 유지보수 비용이 증가하고, 이에 따라 소비자에게 보증기간 단축이 제공돼 기술 사용을 더욱 꺼리게 된다.

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Applications / 애플리케이션

 

Thin film panels have been explored for their use in several applications. These include commercial and industrial rooftop installations, ground-based solar farms, recreational vehicles, and camping. Being highly flexible, research interest in using these devices for portable and wearable power sources for flexible electronics such as sensors and telecommunication devices has emerged in recent years.

박막 패널은 여러 응용 분야에서 사용하기 위해 탐색되었다. 여기에는 상업용 및 산업용 옥상 설치, 지상 기반 태양열 발전소, 레크리에이션 차량 및 캠핑이 포함된다. 유연성이 매우 높기 때문에 센서 및 통신 장치와 같은 유연한 전자 장치의 휴대용 및 웨어러블 전원에 이러한 장치를 사용하는 것에 대한 연구 관심이 최근에 나타났다.

 

They have also been used in integrated photovoltaics for buildings, such as energy-harvesting windows. Organic photovoltaic thin cell devices have proven especially attractive for this purpose due to the high range of colors and transparency of these panels. This makes them beneficial for both practical and aesthetic elements of building design that can harvest energy directly from the sun without the need for bulky components.

그것들은 또한 에너지 수확 창과 같은 건물의 통합 태양광 발전에도 사용되었다. 유기 광전지 박막 전지 소자는 이러한 패널의 높은 색상 범위와 투명성으로 인해 이러한 목적을 위해 특히 매력적인 것으로 입증되었다. 따라서 부피가 큰 부품이 필요 없이 태양으로부터 직접 에너지를 수집할 수 있는 건물 설계의 실용적 요소와 미적 요소 모두에 유용하다.

 

Recent Advances / 최근 발전

 

As mentioned, efficiency is a major drawback for thin layer solar cells and panels. However, several studies have reported remarkable advances in efficiency in recent years, bringing these devices closer to full commercialization.

언급했듯이 효율성은 박막 태양 전지 및 패널의 주요 단점이다. 그러나 여러 연구에서 최근 몇 년 동안 효율성이 눈에 띄게 향상되어 이러한 장치가 완전한 상용화에 가까워졌다고 보고했다.

 

Under standard testing conditions, the efficiency of cadmium telluride panels has reached 19% efficiency, with 22.1% efficiency for single solar cells reported recently. First Solar reported 22.3% efficiency for CIS cells in 2015 CIS. Research has indicated that gallium arsenide cells can reach 39.2% efficiency.

표준 테스트 조건에서 카드뮴 텔루라이드 패널의 효율성은 19%에 도달했으며 최근 단일 태양 전지의 경우 22.1%의 효율성이 보고되었다. First Solar는 2015년 CIS에서 CIS 셀에 대해 22.3% 효율을 보고했다. 연구에 따르면 갈륨 비소 전지는 39.2% 효율에 도달할 수 있다.

 

Research has recently focused on increasing the absorption of the technology, such as by incorporating anti-reflective coatings. Additionally, research has been conducted into surface texturing, plasmonic light capture, optimizing solar cell materials, and exploiting nanomaterials such as nanowires and nanoparticles.

최근에는 반사방지 코팅을 접목하는 등 기술 흡수를 높이는 데 연구가 집중되고 있다. 또한 표면 텍스처링, 플라즈모닉 광포착, 태양전지 소재 최적화, 나노와이어, 나노입자 등의 나노소재 활용에 대한 연구가 진행되고 있다.

 

The NREL classifies several thin film technologies as emerging photovoltaics. Most of these have not been commercially applied and are still in the R&D phase. These include copper zinc tin sulfide cells, dye-sensitized solar cells, perovskites, quantum dot solar cells, and organic solar cells. Perovskites have been a particular focus, due to their superior properties and efficiencies reaching over 20%.

NREL은 몇 가지 박막 기술을 신흥 태양광 발전으로 분류한다. 이들 중 대부분은 상업적으로 적용되지 않았으며 아직 연구개발 단계에 있다. 여기에는 황화구리 아연, 염료 감응 태양전지, 페로브스카이트, 양자점 태양전지, 유기 태양전지 등이 포함된다. 페로브스카이트는 뛰어난 특성과 효율성이 20%에 달하기 때문에 특히 주목을 받아왔다.

 

Concentrator photovoltaics is another recent advance. These third-generation devices combine highly efficient multi-junction solar cells with tracking systems and optical lenses. Whilst many of the technologies still suffer from low efficiency, the potential to produce low-cost, efficient solar energy harvesting technologies has caught the attention of several researchers worldwide. This technology is fast becoming the next revolution in the field of renewable energy.

집광기 태양광 발전은 또 다른 최근의 발전이다. 이들 3세대 장치는 고효율 다접합 태양전지와 추적시스템, 광학렌즈를 결합한다. 많은 기술들이 여전히 낮은 효율로 어려움을 겪고 있지만, 저비용의 효율적인 태양 에너지 수확 기술을 생산할 수 있는 잠재력은 전 세계 여러 연구자들의 관심을 끌었다. 이 기술은 신재생 에너지 분야에서 빠르게 차세대 혁명이 되고 있다.