태양광 패널은 어떻게 만들어질까?

신재생에너지 중 가장 많은 비중을 가지고 있는 태양광 발전의 핵심인 패널은 어떻게 만들어지는 걸까?

 

패널의 제작 순서

다음은 패널 제작의 순서를 간단하게 나열한 것입니다.

실리콘 정제 → 잉곳과 웨이퍼 제작 → 도핑 → 전극 및 반사코팅 → 셀 조립 → 테스트 과정을 거쳐 생산됩니다.

 

첫 번째, 실리콘 정제

태양광 패널의 첫 단추는 고순도 실리콘을 만드는 것입니다. 이 과정에서 대부분 모래에서 추출한 원료인 메타실리케이트를 정제하여 사용합니다. 실리콘을 충분히 정제해야 태양전지의 효율을 높일 수 있습니다. 일반적으로 실리카(모래)를 사용하며 실리카는 주로 산화실리콘의 형태로 존재하게 됩니다. 금속실리콘 생산을 위해 산화실리콘을 대량의 탄소와 함께 높은 온도에서 반응시켜 만듭니다. 이 과정에서 생성된 실리콘은 MG-Si(Metallurgical Grade Silicon)이라고 하며 순도가 98~99% 정도에 이릅니다.  금속 실리콘은 다시 염화수소와 반응하여 트리클로로실란 가스를 생성합니다. 이 가스는 더 높은 순도의 실리콘으로 정제가 가능합니다. 여기에 증류, 수소환원 등의 과정을 거쳐 고순도 폴리실리콘이 생성됩니다. 

두 번째, 잉곳과 웨이퍼 제작

정제된 실리콘을 녹여 잉곳을 만듭니다. 잉곳은 정제된 실리콘을 블록형태로 만든 것을 의미합니다. 이 잉곳을 얇게 절단하여 웨이퍼로 만듭니다. 이렇게 생산된 웨이퍼들이 모여 태양전지의 주요 구성 요소가 됩니다. 

잉곳은 고순도 폴리실리콘을 높은 온도에서 용융시켜 금속 용기에 넣고 열을 가하여 액체 상태로 만듭니다.

용융된 실리콘에서 잉곳을 성장시키기 위해 결정성장을 거쳐 냉각시킵니다. 이렇게 만들어진 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 만듭니다. 보통 mm단위의 두께로 절단됩니다. 절단된 웨이퍼는 평탄화 과정을 거쳐 표면을 매끄럽게 만들어 줍니다.

세 번째, 도핑

웨이퍼는 도핑과정을 통해 전기적인 특성을 가지게 됩니다. 도핑은 웨이퍼에 미량의 다른 원소를 첨가하여 전자의 이동을 유도하여 전기를 생산하게 됩니다. 또한 특정한 불순물을 실리콘 웨이퍼에 첨가하여 전자 또는 정공의 흐름을 조절하는 과정입니다. 이를 통해서 p형과 n형 반도체 층을 만듭니다.

1) n형 반도체

n형 반도체는 인이나 비소 같은 원소를 첨가하여 전자를 추가합니다. 실리콘의 각 원자가 보통 가지고 있는 네 개의 전자 외에 추가로 전자를 가지면서 전기를 잘 전달하게 됩니다. 

 

2) p형 반도체

실리콘에 보론이나 갈륨과 같은 원소를 첨가하여 정공을 만들어줍니다. 정공은 전자가 부족한 상태로 전자가 이동할 수 있는 빈 공간을 말합니다. 주변의 전자들이 정공으로 이동하면서 전류를 만들어줍니다.

 

3) 도핑과정

도핑과정은 특정가스와 웨이퍼를 함께 가열하여 도핑 물질을 실리콘 안으로 확산시키는 방법입니다. 일정 온도에서 정밀한 과정을 통해 도핑을 진행합니다.

네 번째, 전극 및 반사 방지 코팅

도핑된 웨이퍼의 양면에는 전극이 형성됩니다. 또한 표면에는 태양광 흡수를 원활하게 할 수 있도록 반사 방지 코팅을 합니다.

 

다섯 번째, 셀 조립

이렇게 만들어진 웨이퍼를 전기적으로 연결시켜 패널 형태로 조립합니다. 셀들은 일정한 패턴으로 배열돼서 패널로 재탄생하게 됩니다. 내구성과 주변 환경으로부터 보호하기 위해 특수 접착 필름과 함께 라미네이션 과정을 진행합니다. 이 과정에서는 높은 압력과 열을 사용하여 층으로 압축시킵니다.

 

여섯 번째, 종합 및 테스트

조립된 패널의 내구성과 효율의 성능 테스트를 진행하며 패널의 전기적 특성과 구조적 안정성을 확인하게 됩니다. 

일반적으로 성능테스트, 온도 변화 습도 기계적 스트레스 등을 확인하는 내구성 테스트, 절연성, 누설전류 등을 검사하는 전기적 안전 테스트 등을 거칩니다.

 

이상으로 태양광 패널 만드는 방법에 대해 알아보았습니다.