모래에서 태양광 패널까지: 태양광 패널 제조 여정 공개

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2023. 세계는 보다 지속 가능한 에너지원으로 전환하고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위해 노력하고 있습니다. 이에 따라 재생에너지의 인기가 높아지고 있다. 실제로 국제 회계 회사인 BDO Global은 2024년까지 전 세계 전력의 거의 33%가 재생 가능 에너지원에서 생산될 것으로 예측합니다.

특히 태양광 발전은 가장 유망한 청정 에너지 옵션 중 하나이며, 그 사용은 전 세계적으로 빠르게 증가하고 있습니다. 일부 소식통에 따르면 현재 태양광 발전은 미국의 새로운 발전 용량의 절반 이상을 차지하고 있습니다.

이러한 맥락에서 태양광 패널에 더 익숙해지는 것이 중요합니다. 가장 놀라운 사실 중 하나는 그것이 실제로 모래로 만들어졌다는 것입니다. 그런데 모래가 어떻게 태양전지판으로 변할까요?

실리콘 광전지 기술의 엔지니어링에 대해 알아야 할 모든 것이 여기에 있습니다.

모래는 태양광 패널 생산의 주요 원자재 중 하나입니다.

다른 원자재와 달리 모래는 매우 일반적이며 세계 대부분의 지역에서 널리 사용됩니다. 그러나 그것은 무한하지 않습니다. CNBC에 따르면 모래는 물 다음으로 가장 많이 소비되는 천연자원이며, 머지않아 모래가 부족해질 수 있습니다.

이는 태양광 패널 제조 때문이 아니라 건설 부문의 모래 수요가 높기 때문이다. 결국 모래는 콘크리트 생산에서 잔골재로 사용됩니다.

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모래는 또한 우리 창문과 스마트폰 화면에 들어가는 유리의 주요 원자재 중 하나이며, 휴대폰, 컴퓨터 및 기타 전자 장치에 들어가는 실리콘 칩의 원자재 중 하나입니다.

모래는 이러한 모든 응용 분야에 적합한 몇 가지 특성을 가지고 있습니다.

모래는 알갱이로 이루어져 있는데, 이 알갱이가 시멘트 입자의 틈을 메울 수 있기 때문에 자갈과 섞어 콘크리트를 만드는 것입니다. 모래는 콘크리트에 구조적 강도를 제공합니다.

모래의 실리카 함량이 높기 때문에 고온에서 녹아 용융된 유리 물질을 형성할 수 있습니다. 냉각되면 유리는 투명성을 유지하여 빛의 투과, 보호 및 단열이 가능합니다.

모래에서 추출한 실리콘의 결정 구조는 전류 흐름을 고도로 제어할 수 있는 독특한 반도체 특성을 갖고 있습니다. 이것이 바로 실리콘이 전자 장치에 존재하는 이유입니다. 다이오드, 트랜지스터, 회로의 핵심 부품이다.

그러나 특히 태양광 패널 제조에서는 모래만으로는 충분하지 않습니다. 사용되는 모래는 이산화규소 함량이 높아야 합니다. 아래에서 설명하겠지만 이산화규소는 주요 실리콘 공급원이자 웨이퍼 생산에 필수적이기 때문에 이는 중요합니다.

태양광 패널을 만들려면 모래 광산이나 채석장과 같은 천연 퇴적물에서 실리카가 풍부한 모래를 추출해야 하며, 모래는 종종 결정질 실리카의 한 형태인 석영으로 구성됩니다.

모래를 세척하여 점토, 유기물 및 기타 미네랄과 같은 불순물을 제거합니다. 그런 다음 화학적 처리 방법으로 정제됩니다. 일반적인 방법 중 하나는 모래를 황산과 같은 산성 용액과 혼합하여 불순물을 용해하고 실리카를 분리하는 산 침출입니다.

그 후, 실리카는 일반적으로 용광로에서 고온으로 가열되어 잔류 유기 물질을 제거하고 고순도 실리카로 전환됩니다.

고순도 실리카는 다결정 실리콘이라고도 알려진 폴리실리콘을 생산하는 데 핵심입니다. 이 고순도 형태의 실리콘은 태양전지의 원료로 사용됩니다.

이를 얻기 위해 정제된 석영 모래를 석탄이나 석유 코크스와 같은 탄소가 풍부한 물질과 혼합합니다. 그 후, 혼합물은 고온에서 염소 가스 흐름에 노출되어 트리클로로실란(SiHCl3)을 형성합니다. 이 과정을 염소화라고 합니다.

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염소화의 결과인 트리클로로실란은 증류 및 정제 기술을 통해 추가 처리됩니다. 증류 공정에서 트리클로로실란은 가열되어 구성 요소로 분리됩니다. 정제된 삼염화실란은 수소가스(H2)와 반응하여 다시 초고순도 실리콘으로 전환됩니다. 이 과정의 결과는 폴리실리콘입니다.