태양광 패널은 어떻게 만들어지나요?

새로운 태양광 프로젝트가 미국에 방금 설치되었습니다.

타이머를 60초로 설정하고 기다리세요. 어쩌면 밖으로 나가서 햇빛을 흡수할 수도 있습니다.

Zing!—또 다른 태양광 프로젝트가 방금 설치되었습니다.

태양광 산업에 태양이 빛나고 있습니다. 숫자가 인상적이다. 태양 에너지 산업 협회(SEIA)에 따르면 오늘날 미국에는 2,300만 가구에 해당하는 전력을 공급할 수 있는 충분한 태양 에너지 용량이 있습니다. 이는 전국 수백만 개의 태양광 시스템에서 나오는 126기가와트(GW)입니다.

미국 태양광 산업은 2021년에 330억 달러 규모로 평가되었으며, 230,000명 이상의 직원을 고용하고 있으며, 연간 평균 33%의 속도로 전력 용량이 계속해서 성장하고 있습니다.

태양광 패널은 2015년 1% 미만에서 2021년 미국 전기의 거의 4%를 생산했습니다. 일부 지역에서는 그 숫자가 훨씬 더 높습니다. 예를 들어, 2021년 캘리포니아 전력 생산량의 17%가 태양광에서 나왔습니다. 2021년 미국 전력망에 추가된 모든 신규 에너지 용량의 거의 절반이 태양광에서 나왔습니다. 더욱 고무적인 점은 2030년까지 태양광 산업이 미국 전력의 거의 3분의 1을 생산하는 것을 목표로 하고 있다는 것입니다.

앞으로 몇 년 동안 너무 많은 태양광 패널이 계획되어 있으므로 태양광 패널이 정확히 무엇이고 어떻게 만들어지는지 궁금할 것입니다.

발전을 위한 태양광 기술에는 두 가지 유형이 있습니다. 가장 일반적인 것은 태양광을 사용하여 전기를 만드는 광전지(PV) 패널 또는 모듈입니다. 또 다른 기술인 태양열 발전(CSP)은 태양열을 대신 사용합니다.

가장 일반적인 유형의 PV 패널은 결정질 실리콘(c-SI)을 사용하여 만들어집니다. 미국 에너지부에 따르면 이 기술은 미국 태양광 패널의 84%를 차지합니다. 다른 유형으로는 카드뮴 텔루르화물, 구리 인듐 갈륨 (디)셀레나이드 패널 및 박막 비정질 실리콘이 있습니다. c-SI 패널은 미국과 글로벌 시장의 대부분을 차지하고 있기 때문에 이번 블로그에서는 c-SI 패널에 초점을 맞췄습니다.

결정질 실리콘 태양전지판을 만드는 것은 모래성을 짓는 것과 비슷합니다. 왜냐하면 실리콘은 모래에서 나오기 때문입니다! 해변 모래는 실리카라고도 불리는 이산화규소입니다. (해변 순찰대가 이를 경고 표시로 표시하면 아무도 해변에 발을 들이지 않을 것입니다!) 이산화규소 모래와 자갈 형태의 실리콘은 산소 다음으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소입니다.

태양광 패널에 사용되기 전에 이산화규소는 순수한 "금속 등급 실리콘"(MGS)으로 전환되어야 합니다. 이 공정에는 많은 에너지가 사용됩니다. 1kg의 금속 등급 실리콘을 생산하려면 14-16kWh의 전력이 필요하며 이는 가정용 오븐을 7시간 동안 사용하는 것과 대략 같습니다. 그러나 수명이 다할 때까지 태양광 패널은 석탄 전력보다 킬로와트시당 25배 적은 양의 이산화탄소를 배출합니다.

화학 휴식! 금속 등급 실리콘을 요리하는 방법은 다음과 같습니다.

전기 아크로에 이산화규소(자갈) 1부와 탄소(석탄, 숯 또는 나무 칩에서 추출) 2부를 추가합니다.

온도를 섭씨 2200도까지 올려보세요. (이것은 태양 온도의 ​​3분의 1입니다!!)

짜잔! 99% 순수한 실리콘과 일산화탄소(이산화규소에서 제거한 산소와 결합된 탄소를 추가한 것입니다)가 남습니다.

그러나 태양광 패널은 완벽주의자입니다. 그들은 실리콘의 순도가 100%에 가까울 것을 요구합니다. 이를 달성하려면 염산과 수소 가스를 포함하는 공정을 사용하여 실리콘을 더욱 순수한 폴리실리콘 금속으로 업그레이드해야 합니다. (재미있는 사실: 현재 전 세계 실리콘 생산량의 약 12%가 태양광 패널용 폴리실리콘으로 가공되고 있습니다.)

산과 가스를 첨가한 후 폴리실리콘 금속 덩어리가 남게 되는데, 이는 일반적으로 대략 5미터 길이의 원통형 주형에서 다시 녹입니다. 금속의 한쪽 면에 양전하를 부여하기 위해 붕소를 첨가합니다. 뜨겁고 녹은 실리콘은 냉각되어 원통형 잉곳과 같은 단결정("단결정") 구조를 형성합니다. 잉곳은 금괴처럼 직사각형 모양으로 주조된 모든 재료입니다.

(다중 결정이 형성되는 "다결정" 실리콘 웨이퍼를 만드는 데 또 다른 공정이 사용됩니다. 이 공정은 패널 효율이 떨어지는 경향이 있지만 웨이퍼 비용을 줄일 수 있습니다.)