태양 전지판은 모든 종류의 날씨에서 25년 이상 지속할 수 있도록 제작됩니다. 이러한 장수의 핵심은 광전자 재료의 밀봉입니다. 제조업체들은 유리 판 사이에 폴리머 시트로 태양 전지판의 실리콘 셀을 적층함으로써 밀봉을 달성합니다. 그러나 당착성 폴리머는 태양 전지판의 수명이 끝날 때 실리콘 셀에서 쉽게 분리되지 않아 재료 재활용이 더 어려워집니다.
이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 레이저를 이용한 태양광 패널 재활용 이슈에 대해 적어봅니다.
태양광 패널
콜로라도의 골든에 위치한 미국 국립 재생 에너지 연구소(NREL)의 연구원들은 태양 모듈을 더 잘 밀봉할 방법을 찾았다고 합니다. 연구원들은 femtosecond 레이저를 사용하여 에틸렌 비닐 아세테이트와 같은 폴리머를 사용하지 않고도 태양 전지판 유리를 용접했습니다. 이러한 유리 대 유리 정밀 용접은 야외 태양 전지판에 충분히 강력하며 부식성 수분을 효과적으로 방지한다고 연구원들은 말합니다.
데이비드 영(NREL의 시니어 과학자)는 “태양 전지판은 쉽게 재활용되지 않습니다.”라고 말합니다. “지금은 그것을 하는 회사들이 있지만, 비용과 이익 사이의 까다로운 교환과 대부분의 문제는 폴리머와 관련이 있습니다.” 접착 폴리머가 포함되어 있지 않기 때문에 재활용 시설은 태양 전지판에 포함된 실리콘, 은, 구리 및 유리와 같은 소중한 재료를 더 쉽게 분리하고 재사용할 수 있습니다.
이러한 폴리머 문제로 많은 재활용 시설이 폴리머로 덮인 실리콘 셀을 버리고 알루미늄 프레임과 유리 케이스만 회수한다고 실바나 오바이트(NREL의 태양 전지(PV) 분석가)는 말합니다. 이 부분적인 재활용은 모듈에서 가장 가치 있는 재료를 낭비합니다.
태양 전지판의 모든 재료를 경제적으로 재활용하는 방법을 찾는 것이 점점 더 중요해질 것입니다. 전 세계 제조업체들은 매년 추가 240 기가와트의 태양 전지판을 배치하고 있습니다. 오바이트는 이 속도가 2030년까지 3 테라와트로 증가할 것으로 예상했습니다. 그녀는 2050년까지 54에서 160 백만 톤의 PV 패널이 수명을 다한 것으로 예상했습니다.
“언젠가는 거대한 양의 사용된 패널이 존재할 것이며, 우리는 올바르게 하고, 재활용을 쉽게 하고 싶습니다. 이유가 없습니다.” 데이비드 영은 말합니다. 제조 방법의 변경은 문제를 완화할 수 있지만, 새로운 기술로 제작된 패널은 적어도 25년 후에 은퇴 예정입니다.
패널의 재활용
NREL의 기술에서 태양 전지판의 실리콘 셀을 둘러싸고 있는 유리가 정밀한 녹색으로 용접됩니다. 정밀한 녹색 용해는 femtosecond 레이저를 사용하여 달성됩니다. 이 레이저는 매우 짧은 시간 척도(약 1백만분의 1조분의 1초)에 엄청난 수의 광자를 포함합니다. 레이저로부터 초당 방출되는 광자 수가 매우 강력하기 때문에 유리의 광학 흡수 과정이 변화한다고 영은 말합니다. 공정이 일반적인 흡수에서 비선형으로(정상 흡수) 변화하여 유리가 일반적으로 흡수하지 않을 광자로부터 에너지를 흡수할 수 있도록 합니다.
두 개의 유리 시트 사이의 인터페이스 근처에 집중된 강력한 빔은 이온화된 유리 원자의 작은 플라즈마를 생성합니다. 이 플라즈마는 유리가 레이저로부터 대부분의 광자를 흡수하고 두 개의 유리 시트를 녹여 용접 형태로 만들 수 있도록 합니다. 열적으로 녹은 유리가 증발되지 않기 때문에 녹는 과정 중 유리는 응력이 없는 상태로 식어 강력한 용접을 남깁니다.
NREL 그룹이 실시한 응력 시험에서 용접 부위는 거의 유리 자체만큼 강한 것으로 입증되었습니다. 마치 용접이 전혀 없는 것처럼요. 영 박사와 그의 동료들은 이러한 개념 증명 기술을 IEEE 태양 전지 저널에 2월 21일에 발표한 논문에서 설명했습니다.
저자들은 이번이 태양 모듈용 유리 대 유리 용접을 테스트하기 위해 femtosecond 레이저가 처음 사용된 것이라고 말합니다. 이러한 레이저의 비용은 지난 몇 년 동안 하락해 왔으므로 연구자들은 다양한 응용 분야에서 이를 활용하고 있습니다. 예를 들어, femtosecond 레이저는 3D 중공 플라즈마 디스플레이를 만드는 데 사용되었으며 텔루라이트 유리를 반도체 결정체로 변환하는 데도 사용되었습니다. 이 뿐만 아니라 의료 기기의 유리 용접에도 사용되었습니다.
Femtosecond 레이저 이전에, 연구 그룹들은 나노초 레이저를 사용하여 태양 전지판 유리를 용접하려고 시도했습니다. 그러나 femtosecond 레이저의 펄스가 그렇게 긴 나노초 레이저의 펄스의 백만 배인 레이저는 유리 대 유리 용접을 만들지 못했습니다. 연구자들은 용접에 유리 피막이라는 채움 재료를 사용해 보았지만, 이와 같이 다른 재료의 결합은 야외 태양 전지 설계에는 너무 서툴고 약해서 실패했습니다.
재활용을 쉽게 만드는 것 외에도, NREL의 설계는 태양 전지판의 수명을 더 길게 만들 수 있습니다. 폴리머는 유리에 비해 수분에 대한 저항이 약하며 시간이 지남에 따라 물질이 붕괴됩니다. 이로 인해 수분이 태양 전지 셀로 유입되어 결국 부식으로 이어집니다. “현재 태양 모듈은 방수가 되어있지 않습니다,”라고 영 박사는 말합니다. 이는 수분과 산소에 극도로 민감한 선도적인 차세대 태양 기술인 페로브스카이트 셀에 대한 문제가 될 것입니다.
“우리가 폴리머를 없애는 다른 종류의 밀봉을 제공할 수 있다면, 더 오래 지속되는 더 좋은 모듈을 얻을 뿐만 아니라 훨씬 더 쉬운 재활용도 가능할 것입니다,”라고 영 박사는 말합니다.
마무리
이번 포스팅에서는 NREL의 설계가 재활용을 용이하게 하며, 태양 전지판의 수명을 연장시킬 수 있다는 중요한 발견을 다루었습니다. 폴리머의 부재는 수분 및 시간에 따른 물질 붕괴를 감소시키며, 더 오랜 기간 동안 더 뛰어난 모듈을 제공합니다. 이러한 결과는 앞으로 태양 에너지 산업에서 지속 가능한 발전을 위한 중요한 진전을 나타냅니다.