태양광발전기술동향
목차 에너지생산및소비동향 대체에너지산업소개 태양광발전산업소개 태양광발전산업동향 태양전지기술개발동향 요약
세계에너지생산및소비동향
에너지의주요 Issue 최근급속한산업발달과함께기존에너지의수요급증 생산량증가에따른부존자원고갈. 석유 ; 1조배럴 (1,432TOE), 천연가스 ; 5천조입방피트 (1,254TOE), 석탄 ; 1조톤 (6,860TOE),, 우라늄 ; 385만톤 (501억TOE), 주에너지원인화석연료는연소과정에서 CO 2, NOx, SOx 등이발생. 지구온난화와환경오염주요원인에너지자원의지역적편중및국가별에너지소모량의불균형 지역적분쟁야기와생활수준및빈부격차유발국내에너지자원의 97% 가량을해외에의존 에너지수입가가전체경상수지개선에 10% 이상
에너지원별이용추이 석유 원유가격의상승으로인한수입국의에너지원다변화및소비절약노력과세계경제의성장둔화로소비증가는다소정체되었으나향후점진적인경기회복이예상됨에따라서소비가다시증가할것으로전망되고있다. 천연가스 가스복합발전기술의진보및석유에대한대체에너지원으로서의수요증가와환경영향의중요성이대두됨에따라향후세계에너지수급에서차지하는비중이증대될것으로전망되고있다. 석탄 선진국의경우환경규제강화및수요의많은비중을차지하는제철부문에서의기술향상등으로소비가현상유지또는완만한증가에그치고있으나근래에들어서원유가상승에따라서개발도상국중심으로발전및산업부문의수요가계속적으로크게증가할것으로예상되고있다. 원자력 화석연료의대량사용으로인한심각한환경문제와불안정한석유수급에대한해결책으로원자력의역할이부각됨에따라서세계의경제성장에따른전력수요의증가를충족시킬수있는발전연료로서수요가지속적으로증가할것으로예상되고있다.
화석에너지및원자력부존량
화석에너지및원자력부존량 에너지원확인매장량연간생산량가채년수 ( 년 ) 석유 (10 억 bbl) 1,052.9 25.7 41.0 석탄 (10 억톤 ) 984.2 4.5 218.0 천연가스 ( 조 ft3) 5,170.3 81.6 63.4 우라늄 ( 천 ton-u) 3,851* 61.4** 62.7 * $130/kgU 이하의비용으로채광가능한양 (1995) ** 연간우라늄소요량 (1995) 자료 : BP Statistical Review of World Energy, June 1999 Uranium 1995 Resources, Production and Demand, OECD/NEA and IAEA
지구온난화와환경오염
국가별에너지소비량
지역별석유및액화가스생산량
지역별석탄생산량
국제원유가격변동추이
신재생에너지분류 신재생 에너지 자연에너지 신에너지 재활용에너지 태양에너지 태양열, 태양광풍력에너지지열에너지해양에너지 조력, 파력, 해류, 온도차지열에너지소수력에너지바이오에너지 Biomass, Bio diesel, Bio fuel 연료전지 MHD 수소에너지 Bio-Electric 석탄에너지 COM, CWM, 액화, 가스화산업폐열에너지도시폐기물에너지 LNG 냉열에너지 신탄에너지 고온배기가스
신 재생에너지종류
신 재생에너지생산량증가추이
신 재생에너지잠재량
태양광발전산업소개
태양에너지 태양표면복사에너지 : 3.8 x 10 23 kw 지표면도달태양에너지 : 125 조 (1.25 x 10 14 ) kw 연간전세계에너지소비 (100 억 kw) 의약 1 만배맑은날지표면도달태양에너지밀도 : 1 kw/m 2 한국도달태양에너지 : 1.29 x 10 14 kwh 2000 년국내최종에너지소비 (1.74 x 10 12 kwh) 74 배 http://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html
세계태양에너지일사량
국내태양에너지일사량 kwh/m 2.day South 4.44~4.18 서산, 영주, 부산 Daejeon 4.05~3.97 청주, 대구, 강릉춘천, 원주, 전주 3.85~3.81 Jeju, Seoul 3.62 av erage 4.01 Due south, 30 inclination
태양에너지의이용 태양광발전 : Photovoltaic : 빛전기 : 태양전지 태양열이용 : Solar thermal : 복사에너지 태양열발전 : Solar thermal power generation 열 : 태양열집열기 : 집광, 반사경 채광 : Lighting
태양광발전발전사 1839년 Edmond Becqurel - Photovoltaic Effect 발견 1954년 Bell Lab., RCA - Silicon 태양전지개발 1958년 Vanguard I - 미국우주선보조전원사용 (5 mw) 1970년대 석유파동 - 지상용전원으로활용모색 1980년대이후 에너지-환경 - 본격적인기술개발추진, 신재료, 대량생산공정개발 - 대표적인환경친화적발전기술로부각 1997년 - 전세계생산량 : 연간 100 MW 돌파 1999년 - 전세계생산량 : 연간 200 MW 2000년 - 전세계생산량 : 연간 288 MW 2002년 - 전세계생산량 : 연간 560 MW 2004년 고속성장 - 전세계생산량 : 연간 1,256 MW 2006년 - 전세계생산량 : 연간 2,356 MW 돌파
태양광발전장 단점 장점 - 환경적합성 : 배기가스, 폐열등환경오염과소음이없음 ( 석탄화력발전대비약 240 g-carbon/kwh 절감 ) - 연료, 냉각수불필요 : 에너지-자원보존, 입지상의문제없음 - 모듈화 : 발전용량의신축성, 발전시설의유동성 - 단기건설기간 : 수요증가에신속대응가능 - 부하패턴적합성 : 첨두부하경감, 공급예비력감소에효과적대응 - 무보수성, 고신뢰성 : 무인자동화운전가능, 운전비용절감 단점 - 대면적필요 : 일사량에의존, 대규모발전에대면적이필요 - 이용률낮음 : 야간, 우천시에발전불가능 - 불안정성 : 일사량변동에따라출력이불안정 - 고전류출력불가능 : 공급가능전류에한계, 급격한전력수요대응불가
태양광발전시스템구성 Components 구성 태양광 Array 주변장치부하 PV array Balance of System (mounting structures, storage, power conditioning, etc.) Load (application)
( ) 태양광발전시스템 정의 : 태양광어레이로부터발생된전력을전력변환장치등주변기기를통과시켜실사용자가이용할수있도록구성한발전시스템 계통연계시스템 독립형시스템 : 계통비연계 상용계통선 태양광어레이 직 류 계통연계형인버터 조명 조류 조류전력량계 주상변압기 분전반 정전시 교류분전반 역조류 역조류전력량계 축전지 자립운전 가전제품
태양전지구조및원리 앞면전극 p n 접합 반사방지막 n 층 p 층 전자 전기부하 동작원리 : 입사된태양광에의해반도체내부에서생성된전자와정공이 pn 접합부의전기장에의해외부로연결된부하로흐르게되어전력을공급 빛흡수 전하생성 전하분리 - 수집 뒷면전극 전자 정공 정공 태양전지 Solar Cell 태양광모듈 PV Module 태양광어레이 PV Array
태양전지 I-V 특성곡선 Isc : Short Circuit Current Voc : Open Circuit Voltage FF : Fill Factor = h : Efficiency = Vm Im --------- Voc Isc Vm Im --------- Plight Air Mass 1.5 1,000 W/m 2 25 o C
태양광발전시스템분류 Stand-alone Off-grid PV systems 독립형시스템 Grid-connected PV systems 계통연계형시스템 Hybrid PV systems 복합형시스템 ( 디젤, 풍력, 지열등 ) - 가정용독립형 (Off-grid domestic) : 오지, 도서지역주택전력공급용 - 비가정용독립형 (Off-grid non-domestic) : 통신, 펌프등소규모전력공급용 - 분산배치계통연계형 (On-grid distributed) : 주택, 건물전력공급용 - 집중배치계통연계형 (On-grid centralized) : 발전소대치또는배전망보강용
Off-grid domestic systems Off-grid non-domestic systems
국내외태양광발전설치사례 (I) 아차도, 80 년, 4kW 월령, 97, 10 kwp 비상전화 전남하화도, 87~ 95, 60 kwp 마라도등대 88, 7.6 kwp
Grid-connected distributed 임실, 3 kw 마포, 2003, 3 kw 스위스고속도로방음벽
분산형계통연계형시스템 기흥, 삼성건설, 96, 100 kwp 일본단독주택, 4 kwp 삼척동굴 Expo, 01 108 kw 덴마크, 97, 단독주택 30 가구
Grid-connected centralized 이탈리아 Serre, 3.3 MW 사막의 GW 급대규모발전시스템가상도 독일 Leipzig, 5 MW ( 04. 7)
국내외태양광발전설치사례 (II) Wa island, 10 kwp 97, Halla Mountain Cheju, 9 kwp 98, KAIST, Taejon, 30 kwp 98, KIER, Taejon, 30 kwp
PV systems for houses and buildings : BIPV BIPV : Building Integrated PV 건축일체형태양광시스템
국내외태양광발전설치사례 04, KIER, Daejeon, 10 kw 02, Denmark, Sol 300
국내외태양광발전설치사례 99, 네덜란드, Amersfoort, 1 MW 99, 독일, Mont-Cenis, Herne, 1 MW
태양전지산업동향
태양전지생산량 [MWp] 태양전지연간생산량 4500 4000 Am erica Japan Europe Res t of w orld T otal 4,278.7 3500 3000 2500 2000 2,535.5 1,814.7 1500 1000 500 0 60.1 77.7 125.8 202.2 390.5 761.9 559.6 1,255.8 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 2007년세계태양전지생산량 : 약 4.3GW, 전년대비약년도 68% 증가 아시아지역급성장 : 2007년세계태양전지생산량의 66.2% 점유 - 중국 : 생산량세계 1 위, 전년대비 150% 증가 - 대만 : ( 단일국가기준 ) 생산량세계 4 위, 전년대비 170% 증가
태양전지산업동향 국가별태양전지생산량 Taiwan ( ) 461.6MW/10.8% (170.4MW/6.7%) China ( ) 1,200.6MW/28.1% (383.4MW/15.1%) Japan ( ) 932.0MW/21.8% (922.2MW/36.4%) India ( ) 64.2MW/1.5% (35.1MW/1.4%) Africa & Middle East ( ) 1.0MW/0.02% (7.8MW/0.3%) Australia ( ) 35.4MW/0.8% (33.4MW/1.3%) Rest of Asia ( ) 140.1MW/3.3% (94.5MW/3.7%) America ( ) 273.1MW/6.4% (173.6MW/6.8%) Germany ( ) 875.6MW/20.5% (507.6MW/20.0%) Rest of Europe ( ) 295.1MW/6.9% (207.5MW/8.2%)
태양전지산업동향 국가별태양전지생산량
태양전지산업동향 태양전지제조회사별생산량
태양전지산업동향 Top 10 태양전지제조회사별생산량 (2006 ~ 2007) 박막모듈제조업체 Top 10 진입 : First Solar (CdTe 생산 )
태양전지산업동향 Top 10 태양전지모듈제조회사 (2007)
태양전지시장규모 태양전지생산량증가추이
태양전지시장규모 태양전지제작회사별예상생산량
태양전지제조동향 주요태양전지생산업체의 2006/7 년생산량증설계획 (4800MW)
Market value[ 백만 $] 태양전지시장규모 Forecasted Solar cell Marketing Volume 350,000 317,840 300,000 250,000 200,000 187,372 150,000 100,000 50,000-113,347 57,694 8,645 25,231 2006 2010 2015 2020 2025 2030 2010 년 ( 약 25 조원예상 ) 2030 년 ( 약 317 조원예상 ) Year * Source : EPIA Solar Generation IV-2007
태양전지이용사례 96, Pathfinder Sojourner, 16 W 우주선 Solar Car, Honda, 96 비행선
태양전지이용사례 04, Spirit Rover, 140W 01, Helios, 42 kw(+pem 8 kw) 02, Sanyo, Solar Ark, 630kW http://www.aerovironment.com/ area-telecom/telecom.html http://www.solar-ark.com/ark/index.html
태양광발전산업동향
태양광발전산업동향 국가별태양전지설치량
태양광발전산업동향 국가별태양전지설치량
태양광발전산업동향 태양발전예상시장규모
태양광발전산업동향 Cost of Si PV modules Si PV module price has been reduced continuously till 04 to reach the goal of $1/Wp However, the price began going up mainly due to Si price increase In reality Forecasted
태양광발전산업동향 Cost breakdown of Si solar cell
태양광발전산업동향 Production Cost Breakdown of Si Solar Cells Thin wafer (< 150 mm) cell and high efficiency c-si cell are expected half cost-down
태양광발전산업동향 Global Poly-Si Supply
Efficiency (%) 태양광발전산업동향 PC1D simulation for current industrial cell technology 17.0 16.5 bulk lifetime (5us) bulk lifetime (20us) bulk lifetime (50us) bulk lifetime (100us) Screen-printed metal contacts Textured surface 16.0 15.5 Single layer AR Heavily doped n + emitter (high FSRV) 15.0 Low-quality defective Si substrate 14.5 14.0 0 100 200 300 400 Cell thickness ( m) FSRV > 35,000 cm/s BSRV = 5,000 cm/s Poor BSF (high BSRV) 현재의 industrial cell technology 의적용은두께가작아질수록효율을저하시킴
태양광발전산업동향 태양전지제조회사의태양광발전전공정 Global 화 REC Group (Norway) Solar Grade Silicon ScanWafer ScanCell ScanModule SolEnergy Poly silicon PV Si wafer PV cell PV module PV System SolarWorld Group (Germany) Joint Solar Silicon Deutsche Solar Solar Materials Deutsche Cell Solar Factory GPV (Sweden) SolarWorld
태양광발전산업동향 Poly Silicon Feedstock 의제조공장및종류 Nugget (Chunk) Poly Rod Poly Chip Poly Granular Poly
태양광발전산업동향 Poly Si Manufacturing Process : Siemens Method silicon bridge silicon cone( Φ7) deposited poly-silicon quartz ball jar CRUSHING Solar Grade Si preheater thermal shield (water cooled) (Silicon rod) graphite HF/HNO 3 Etching waste gases insulation electric energy SiHCl 3 + H 2 Prime poly Si (Silicon chips)
Ingot Business Plan Poly Si Manufacturing Process : Vapor to Liquid Deposition TCS / H2 Graphite Tube Induction Heating Coil Exhaust Gas Molten Silicon
태양광발전산업동향 (tons) 70000 60000 50000 40000 Production Capacities vs. Total Demand Electronic Silicon Solar Grade Silicon Byproducts of Electronics Demand(avg.+10% growth/year) 30000 20000 10000 0 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 Year Feedstock for the photovoltaic industry, Solar Silicon Conference, April 11, 2005. 2009 2010
2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 태양광발전산업동향 Module vs. Solar Grade Poly Si Production (tons) 35000 30000 25000 Solar Grade Silicon Solarsilicon By Products of Electronics Demand (avg.+15% growth/year) Module Production Module Production based on 20 % growth/year Byproducts of Electronics Demand Moduleproduction Moduleproduction based on 20 % growth/year 1.2 GW (MW) 10000 3.1 GW 1000 20000 100 15000 10000 10 5000 0 1 Year Feedstock for the photovoltaic industry, Solar Silicon Conference, April 11, 2005.
Thousand metric tons 태양광발전산업동향 Solar driving capacity expansion 60 50 40 30 20 16 Si supply to solar sector Total Si production capacity 42 38 34 31 27 23 20 31 46 36 50 10 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Si Supply to solar sector : Si & Wafer from electronics+ Si & Wafer Inventory Rough estimate: at least 50,000 tons of capacity by 2010, including 10-30,000 tons of announcemen ts in the next 12 months Year Solar Grade Silicon Production, Solar Silicon Conference, April 11, 2005.
태양광발전산업동향
태양광발전산업동향
태양광발전산업동향 Technology Roadmap for c-si Solar Cells (EPIA) 19 th EUPVSEC, 2004 2004 2010 2020 Solar Grade Silicon 1000t/y expansion in 2005 Wafer (Si consumption) * Cz-Si, mc-si: 16g/Wp * Ribbon: 10g/Wp (Thickness): 300 mm (Kerf loss): 250 mm (Si consumption) * Cz-Si, mcsi: 10g/Wp * Ribbon: 6g/Wp (Thickness): 180 mm (Kerf loss): 160 mm (Si consumption) * CzSi, mcsi: 8g/Wp * Ribbon: 5g/Wp (Thickness):100 mm (Kerf loss): 150 mm Solar Cells (Efficiency) * Cz-Si: 16.5% * mc-si: 14.5% * Ribbon: 14% (Efficiency) * Cz-Si: 20% * mc-si: 18% * Ribbon :17% (Efficiency) * Cz-Si: 22% * mc-si: 20% * Ribbon: 19% Modules 35-year guarantee Back-contact Yearly cost reduction : 5% until 2010, total is 40 %..
Germany California Rest of north America Spain Japan Italy South Korea France Greece China Inventory builds Integrated products Unallocated Total 태양광발전산업동향 2010 년세계태양광발전설치전망 MW 24,000 3,225 23,300 20,000 1,500 800 725 380 200 592 525 16,000 2,400 1,600 12,000 3,065 1,780 8,000 6,508 4,000 0 2010 년 ( 약 25 조원예상 ) [ 2010 global installations photon 2008. 3 ]
태양전지기술개발동향
태양전지기술분류 Å ¾ç Àü Áö ½Ç ÄÜ È ÇÕ ¹ Bulk Ü á Á Ù á Á ¹Ú ºñ Á Áú ¹Ì á Á Ù á Á Bulk GaAs InP ¹Ú CuInSe2 CdTe Àû Ãþ Çü ¹Ú a-si/cis GaAs/Ge ±â Å Dye Polymer Nano 1 세대 : 단, 다결정실리콘 2 세대 : 박막태양전지 ( 실리콘, 화합물반도체 ) 3 세대 : 나노, 유무기복합형?
태양전지재료의밴드갭에따른이론효율 이론효율실험실대량생산 Tandem 형 Hetero 접합다결정, Hetero Band Gap Eg (ev) 출처 : Yoshihiro Hamakawa, 太陽光發電, CMC, 2000 년 9 월
태양광스펙트럼
다중접합스펙트럼분리 - 다중접합구조
결정실리콘태양전지의에너지변환과정과손실요인 Top cell Bottom cell 탠 덤 (1) (32%) Ref.M.A. Green, 3rd Generation PV, Physica E 14, 2002 입사광에너지 (100%) (56%) (44%) 불일치 일치 효율개선책 스펙트럼 스펙트럼 태양광 태양광 단파장과잉에너지 장파장투과 (24%) 전압인자손실 (16%) 이론효율한계 Ref. Hideyuki Takakura, 太陽光發電, CMC, 2000 년 9 월 (2,3) (28%) 출력 AR, Texture (3~6%) (4) 재결합손실 BSF 전극구조개선 (5~8%) 2, 3 : Voltage drop at junction and at contact 14 ~ 20% 전압인자손실 : 태양전지출력전압의한계인개방전압 ( 무부하전압 ) 과반도체금지대폭과의비 : 실리콘금지대폭 1.1eV, 개방전압 0.7 ev : 암전류저감또는입사강도의증대 ( 집광 ) : 16% 가한계
태양전지의에너지변환효율현황
태양전지기술개발동향 High efficiency 고품질기판사용 (FZ, n-type 단결정 ) Rear point contact passivation trend Back contacted cells (BSC) ( 양산적용성낮음 ) Low cost ( 공정, 재료 ) Low grade & cost 기판 (mc-si, Si-ribbons) Thin wafer (< 200 μm ) In-line process Emitter : spin on coating + firing Metal : screen printing + firing High efficiency + low cost HIT cells SunPower cells COSIMA cells 양산적용성이높은고효율태양전지구조및공정적용!!
PERL Silicon Solar Cell Technologies o 역피라미드표면구조 : 반사방지 + 이중반사방지막 o 전후면재결합방지산화막 200A o P+, n+ 접촉저항최소화 o 공정소요 : 3일 o IC processing technology gives 24.7%
PERL Silicon Solar Cell Technologies World record sc-si solar cell (PERL) : 24.7% (2x2 cm 2 ), UNSW PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused) cell Two step emitter 접촉저항최소화 Inverted pyramids 구조입사광손실최소화 Front surface passivation 캐리어재결합최소화 기판 FZ, p-type, 1Ω-cm, 200 μm Rear surface passivation 캐리어재결합최소화 Finger (15 μm width, 8 μm thick.) Busbar (150 μm width) Local p + -doped BSF 접촉저항최소화
후면전극태양전지기술동향 SunPower Rear Contacted Solar Cells : 21.5% (148.9cm 2 ) Substrate : n-type Front and rear surface passivation (SiO 2 ) Front surface field Rear point contact Double AR coating Normal pyramids 구조
후면전극태양전지기술동향
이종접합태양전지기술동향 Sanyo HIT Solar Cells : 21.5% Substrate : n-type (high carrier lifetime) Front and rear surface passivation (a-si:h) Back surface field 후면 a-si:h/tco : internal reflection 향상, 저항최소화 ITO (TCO + AR) p + a-si:h (<10nm) i a-si:h (<5nm) 기판 CZ, n-type, 1-5Ω-cm, 250 μm i a-si:h (<5nm) n+ a-si:h (<10nm) ITO
이종집합태양전지국가별주요연구기관 일본 : Sanyo, Tokyo Institute of Tech., AIST, etc 독일 : a-si:h/c-si German Network Project 유럽 : 벨기에 (IMEC), 이태리 (CNR-Inst., ENEA, Univ. Rome, ECN), 네덜란드 (ECN, Univ. Utrecht), 스페인 (CIEMAT DER, Univ. of Barcelona) 슬로베니아 (Univ. Ljubljana), 스위스 (IMT), 노르웨이, 영국, 미국 : NREL, 조지아공대, State Univ. of New York at Buffalo, 중국 : Chinese Academy of Science, Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai Univ., etc
동종 / 이종태양전지기술개요 동종접합 (homo-junction) 이종접합 (hetero-junction) Si x N 1-x :H diffused emitter (950 o C), ~ 80Ω-cm TCO & AR (ITO, ZnO:Al) deposited emitter (<300 o C), high R 기판표면 p c-si wafer p c-si wafer Al BSF (> 900 o C) Deposited BSF( 저온 ), a-si:h/tco Back metal abrupt junction, a-si:h/c-si 계면특성중요
이종접합태양전지기술개발 이종접합태양전지변환효율현황 Sanyo HIT cell ( 일 ) : 21.5 % (712mV, 38.26mA/cm2, 78.8%), 100cm 2 German network project : 18.2% NREL ( 미 ) : 16.9% (644mV, 33.108mA/cm 2, 79.21%), 1cm 2, HWCVD, flat FZ(p-type), i a-si:h/n a-si:h, Al-BSF IMEC( 벨 ) : 16.4% (644mV, 32.6mA/cm 2, 78.3%), 1cm 2, flat FZ(p-type), i a-si:h/n a-si:h, Al
박막형태양전지기술동향 < 실리콘박막태양전지종류 > a-si:h, a-sige:h, μc-si:h single cells a-si:h/a-sige:h, a-si:h/μc-si:h tandem cells a-si:h/a-sige:h/a-sige:h(μc-si:h) triple cells n+ emitter p c-si wafer 250-350 m Front & back contact metal Anti reflection coating P + Si to Ohmic contact 기판 : 실리콘웨이퍼 ( 단, 다결정 ) 박막태양전지 : 실리콘 5 m Glass SnO 2 :F or ZnO:Al p-type a-sic:h intrinsic a-si:h(1.8ev) n-type a( c)-si:h buffer p-type c-si:h intrinsic c-si:h(1.1ev) n-type a( c)-si:h ZnO:Al Ag photon a-si:h/ c-si:h pin tandem solar cells V I
박막태양전지구조 a-si 다결정 Si Å ¾ç ± Å ¾ç ± glass TCO a-sic:h (p) a-si:h (i) a-si:h (n) Àü ±Ø 600 nm 10 nm 500 nm 30 nm 400 nm TCO (p) p-si or c-si (i) (n) Àü ±Ø glass
UNI-SOLAR multi-layer amorphous silicon thin-film solar cell continuous roll-to-roll PECVD deposition process http://www.ovonic.com/unitedsolar/technology.html
Sanyo, 비정질실리콘, Amorton 실리콘박막태양광모듈 Kaneka 비정질실리콘, 50W 미국 Unisolar, 비정질실리콘 Kaneka 비정질 / 다결정실리콘
다결정 Si 박막태양전지 ㅇ단결정, 다결정 Si wafer 높은변환효율높은제조원가및원료물질의고갈 ㅇ비정질 Si 박막태양전지저가제조공정낮은변환효율및안정성문제 결정질 Si 박막 : 저가고효율태양전지 REQUIREMENTS - Thick i-layer (> 2 m) - Need high deposition rate (10A/sec) - Hot wire CVD, HF PECVD
차세대박막및신형태양전지개발필요성 기존결정질 Si 태양전지 -장점 : 고효율, 신뢰성 -단점 : 저가화한계 - 두께한계 : 2-300 m - 공정이단속적 박막및신형태양전지 -고효율, 신뢰성 -저가 - 두께 < 2-3 m - 연속대량생산, 저에너지소비형공정 - 저가의기판재료이용 ( 유리, 금속, 플라스틱 ) Data/kW Wafer-based Silicon Thin Film Silicon Area needed 7 m 2 14 m 2 Use of Si 20 kg Si 250 g SiH 4 Si in the final module 6 kg Si 50 g Si Energy payback time 5-6 years 2-3 years http://www.v hf-technologies.com/
기존결정질실리콘태양광모듈의가격, 효율추이 - 태양광모듈가격 : 약 $4/Wp (80 년대초가격의 1/6) - 변환효율 : 약 14% (80 년대초효율의 2 배이상 ) 기존단결정및다결정 Si 태양전지의경제성향상에한계 30 15 25 14 가격 ($/Wp) 20 15 10 가격 ($/Wp) 변환효율 (%) 13 12 11 10 변환효율 (%) 5 9 0 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 0 2 Year 출처 : Electricity from sunlight, IT Power, UK, 1997 B. McNelis, "The Photovoltaic Business : Manufacturers and Markets", Clean Electricity from Photovoltaics, Imperial College Press, 2001 8
CIGS, CdTe 화합물박막태양전지 장점 : 고효율, 신뢰성 -밴드갭최적 (CdTe 1.45 ev), CIGSS 1.0-2.5 ev 다중접합전지 -직접천이형반도체 optical absorption 계수높음 : 박막화 -장기간신뢰성 -다양한제조공정 (CdTe) 문제점및향후추진방향 -실험실변화효율의향상 - 물질특성이해 - 기본메커니즘분석 -저가대면적제조장치 - 실험실의고효율화기술실용화 -Cd 독성 : recycling -자원부존량 : recycling, 초박막화
화합물박막태양전지구조 Cu(In,Ga)Se 2 CdTe glass Å ¾ç ± ±Ý ¼Ó Àü ±Ø 1000 nm Cu(In,Ga)Se 2 (p) 1-2000 nm CdS (n) 50 nm i - ZnO 50-70 nm ZnO:Al 500 nm glass TCO CdS (n) CdTe (p) 200 nm 100 nm 3-5000 nm ±Ý ¼Ó Àü ±Ø 400 nm Å ¾ç ±
CIS 박막태양전지연속제조장치 Shell Solar CIGS Wurth Solar CIGS 출처 : Photon International, May 2001
CIS 박막태양광모듈 Global Solar(Flexible) Shell Solar Wurth Solar(120x60cm)
CIS 박막태양광모듈 - 우주용 Lightweight Flexible Solar Array (LFSA) CuInSe2 Thin-Film Solar Cells Flexible Kapton Blanket Advantage: Increase solar array w/kg (from typical 40 w/kg to >100 w/kg), Partners: AFRL (Kirtland AFB, NM), NASA/LaRC, Lockheed Martin (Denver, CO)
Dye-sensitized 태양전지 Advantages non-vacuum process inexpensive component materials Technical issues improvement in efficiencies and stability design of large area modules replacement of liquid electrolyte by solidstate materials http://www.solaronix.ch/
염료감응형태양광모듈 미국, Konarka 호주, STI Hitachi 맥셀사 도요타중앙 ( 연 )
재료별태양전지모듈의변환효율추이 ( 국외 ) 결정질Si과박막태양전지와의효율격차 : 7-8% 시간격차 : 15년 출처 : Renewable Energy World, Vol. 4(2), March 2001.
우주용 III-V 고효율태양광모듈 삼중접합구조태양전지
우주용 III-V 고효율태양광모듈 Pathfinder Sojourner Solar Cells Type : GaAs/Ge Size 2 x 4 cm, 5.5 mil thick Coverglass 3 mil, Efficiency >18% efficiency 16.5 watts on Mars at noon 45 watts 1 sun/amo (Earth) Operating Voltage 14-18 volts Substrate Nomex honeycomb Weight 0.340 kg Size 0.22 m2 Survival Temp -140 to +110 C Solar Array Contractor Applied Solar Energy Corporation (ASEC) City of Industry, CA
우주용 III-V 고효율태양광모듈 Spirit Rover Triple-junction : GaInP/GaAs/Ge 1.3 square meters, 140 watts of power for up to four hours per sol. The rover needs about 100 watts
요약
태양전지시장동향
태양광모듈및시스템가격 국가 모듈 독립형시스템계통연계시스템 <1 kw >1 kw <10 kw >10 kw 호주 3,8 10,9 12,5 7,1 10,9 6,5 8,1 5,4 7,1 스위스 4,8 12,8 19,3 9,6 16,1 6,1 8,3 5,5 6,7 덴마크 4,2 8,9 11,4 19 25,4 5,1 5,1 12,7 독일 2,9 5,3 프랑스 9,4 21,7 13,2 14,1 7,1 영국 5,5 8,1-15 7,8 13,5 6,4 22,2 6,4-19 이탈리아 3,7 12,7 12,3 7,1 13,2 6,6 일본 3,7 5,7 6,8 한국 5,8 17,8 17,0 11,7 11,0 네델란드 4,4 5,4 4,7 5,7 5,8 5,4 미국 3.25 12,0-25,0 12,0-20,0 7,0-10,0 6,5-9 평균 ( 비가중 ) 4.1 - 모듈가격 : 평균 4$/W, 모듈최저가격 : 3$/W 미만 - 독립형 : 계통연계가격의 2 배, 규모적으면가격상승 - 계통연계형시스템가격 : 4 5.5$/W, 평균 7$/W - 독립형시스템가격 : 10-18$/W - 계통연계형에서모듈가격이전체 60% ( 최저 50 80%)
PV annual module production (MW) 전세계태양광시장전망 2010 년까지전망 Bank Sarasin P. Maycock 2500 2000 1500 1000 500 0 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2010 ㅇ 2010 년생산량 : 1 GW - 2.3 GW ( 연간성장률 15-25%) ㅇ미국 PV Industry Roadmap (May 2001) - 2020 년전세계생산량 : 17 GW/year ( 연간성장률 25%) 출처 : 1) IEA-PVPS Overview, Sacramento, April 2001. 2) Paul Maycock, Renewable Energy World, Vol. 2(4), July 1999. 3) C. Butz, Sarasin Basic Report : PV 2000, Basel, Sept. 2000.
미국 National Photovoltaic Program 목표 1995³â 2000³â 2005³â 2020~2030 ð µâ È À² (%) 7~17 8~18 10~20 15~25 ¼³ Ä Ü ($/Wp) 7~15 5~12 4~8 1~1.5 ¼ö í (years) 10~20 >20 >25 >30 Àû º ±Þ (MWp) 175 500 1,000~1,500 >50,000 ㅇ최종목표 : 효율 15% 모듈제조가 $50/m 2 단가 $0.33/W 출처 : The National Photovoltaics Program Plan for 2000-2004, DOE, USA, Jan. 2000
PV Power Generation Technology R&D Roadmap (Japan) Target of Technology Development 1st Stage 2000 2010 2020 2030 Low cost modules Crystalline Si Mono-crystalline Polycrystalline Large area modules Thin Film Amorphous Si Polycrystalline Si CIS etc Cumulative Capacity Module Cost (100MW/year Production Basis) 5GW 23~35GW 53~82GW (140yen/W) (100yen/W) (75yen/W) (50yen/W) (30yen/W) High Efficiency cells High Performance thin film, CIS,Ga-As,etc (75yen/W) (50yen/W) (30yen/W) New Type New Material PV cell (e,g,dye-sensitization type, nano-particle etc) Recycling Technology Forecast of residential PV system sales prices (yen/w) Power generation cost(yen/kwh) 880 yen/w 70yen/kwh 370yen/w 30yen/kwh 300yen/w 25yen/kwh 200yen/w 10~15yen/kwh 120yen/w 5~10yen/kwh
국내보급목표 (2012) MW Residential House (100,000, 3kW) Public Building (40,000, 10kW) Industrial Building (30,000, 20kW) Total : 1.3 GW
요약 -태양광발전이틈새시장을거쳐하나의산업으로자리잡아가고있는과도기단계 -최근수년간시장이 30% 이상씩증가 -일본을선두로유럽과미국이뒤따르고있음 ( 국가주도보급프로그램 ) -아직까지정부주도의지원사업으로시장이확대 -중장기적으로경제성확보위한기술개발지속추진 -태양전지의저가, 고효율화 : 박막태양전지, 신형태양전지 -대량생산방식, 시스템표준화, 규격화 -태양광발전의경제성확보는가능, 다만시기의문제 -기존에너지자원의고갈 -환경친화적신에너지출현불가피 : 기후변화협약 -우리나라의여건 -에너지자원빈국 : 에너지안보차원에서독자적인기술개발필요 -태양전지관련기술이우리가강점을지닌반도체, 디스플레이기술과유사 -국가주도의체계적인기술개발시조기에선진국과경쟁가능
감사합니다. 인용자료출처 : - 이만근박사님 ( 솔레이텍 )