태양광 패널 (태양전지 패널) 은 태양광으로 전기를 생산하기 위한 패널로, 화석 연료 소비를 줄이고 재생 가능 에너지로의 전환을 추진하는 데 필수적인 존재입니다. 다양한 전자 부품 자체 제작을 하는 YouTuber인 Dr.Semiconductor 가 가정용 전자레인지로 태양광 패널을 만드는 방법을 공개했습니다. Making Solar Panels with a Microwave - YouTube
반도체 제조는 엄격한 기밀이 유지되는 많은 사람들에게 이해하기 어려운 세계이지만, Dr.Semiconductor 는 공장의 기능을 방치小屋 크기로 컴팩트화하고 오픈 소스로 전환하려는 목표를 가지고 있습니다.
이번에 Dr.Semiconductor 가 다루고 있는 것은 초보자도 비교적 제조하기 쉬운 태양광 패널의 자체 제작입니다. 물론 쉽지 않지만, 완전한 트랜지스터를 만드는 것보다 확실히 쉽다고 Dr.Semiconductor 는 말했습니다.
태양광 패널은 여러 개의 실리콘을 배치하여 연결한 것으로, 각 실리콘은 빛을 흡수하여 전기로 변환하는 정극층과 부극층을 갖춘 거대한 다이오드입니다.
가정에서 태양광 패널을 만들기 위해서는 먼저 정극층이 이미 통합된 P형 실리콘 웨이퍼를 Amazon 등에서 구매합니다.
P형 실리콘 웨이퍼에 음극층을 포함시키려면 인을 첨가해야 하지만, 태양전지 패널에는 균일한 음극층이 필요하므로 표면에 단순히 인을 뿌리는 것만으로는 부족합니다. 음극층을 만들기 위해서는 액체 유리의 층을 만들어 그 안에 인을 충전해야 한다는 것입니다.
인을 충전한 액체 유리 코팅을 고온에서 가열하면 인이 침투하여 음극층이 형성됩니다. 이후 금속 접점을 부착하고 빛을 비추면 태양전지로서 전기를 생산할 수 있다는 것이 Dr. Semiconductor이 설명했습니다.
먼저 구매한 웨이퍼를 초경 칩 또는 다이아몬드 칩으로 절단하여 작은 정사각형을 만듭니다.
웨이퍼는 원자 수준으로 세척할 필요가 없지만 미세한 분말이나 절단 잔여물을 제거하기 위해 종이 컵에 소독용 알코올이나 증류수를 담아 절단한 웨이퍼를 세척합니다.
다음으로 인을 포함한 액체 유리 용액을 제조합니다. 이 재료들은 테트라에톡시실란 (TEOS), 인산, 에탄올, 증류수 등으로 구성되며, 모두 아마존이나 이베이 등의 온라인 쇼핑몰에서 구매할 수 있습니다.
각 성분을 섞어 30 분간 가열하면 인이 포함된 액체 유리 용액을 준비할 수 있습니다.
다음으로 웨이퍼에 액체 유리 용액을 도포하지만, 용액이 웨이퍼 뒷면에 우연히 침투하면 양면이 음극층이 되어버립니다. 이를 방지하기 위해 Dr.Semiconductor 는 전자 기판의 마스킹 등에 사용되는 카프톤 테이프로 웨이퍼 가장자리를 덮었습니다.
PC 팬 위에 웨이퍼를 고정하고, 카프톤 테이프로 덮이지 않은 면에 액체 유리 용액을 추가합니다.
그대로 PC 팬을 돌리면 액체가 균일하게 퍼집니다.
카프톤 테이프를 떼어내면, 한 면에만 인 함유 액체 유리 용액을 도포한 웨이퍼가 완성됩니다.
다음으로 웨이퍼를 가열하여 음극층을 형성합니다. Dr.Semiconductor 는 1 만 원 미만의 전자레인지 하나를 구매하여 가열에 사용하기로 결정했습니다.
이론적으로 웨이퍼가 최소 900℃에 도달하면 음극층이 형성될 것으로 예상되므로, 웨이퍼를 넣고 최고 출력으로 30 분간 가열했습니다.
그러나 전자레인지 안이 점차 붉게 변하기 시작했습니다.
꺼내어 본 웨이퍼는 완전히 녹아버린 상태였습니다. 실리카를 녹이는 데는 1400℃ 이상의 고온이 필요하다는데, 예상보다 훨씬 더 높은 온도에 도달한 것으로 보입니다.
Dr.Semiconductor 는 새로운 샘플을 다시 만들어 재도전했습니다. 이번에는 탄소 용기에 웨이퍼를 넣고 불필요한 고주파 흡수를 방지했습니다.
그러나 이번에도 용기 내부의 웨이퍼가 녹아내렸습니다. 처음처럼 거친 녹는 것은 아니었지만, 역시 온도가 너무 높았다는 것을 알 수 있었습니다.
다음은 출력을 최대 30% 로 낮추고 잘라낸 실리콘의 잔여물을 넣어 테스트합니다.
이번에는 실리콘이 녹지 않고 성공했습니다.
시행착오의 결과 Dr.Semiconductor 는 성공적인 가열 방법을 찾았으며, 무사히 실리콘 웨이퍼 표면에 음극층을 형성할 수 있었습니다.
하지만 아직 끝은 아닙니다. 현재는 액체 유리 층이 전체를 덮어 내부에 접근할 수 없습니다.
태양전지로 발전하려면 외부 유리 층을 제거해야 합니다.
유리 층을 제거하는 방법 중 하나는 1% 염산 용액이 들어있는 녹아내림 용기에 웨이퍼를 넣고 30 분간 두었다가 웨이퍼를 꺼내 탈이온수로 세척하는 것입니다.
또 다른 방법은 2000 번의 샌드페이퍼와 소량의 물을 사용하여 표면의 유리 층을 문질러 제거하는 것입니다.
완성된 웨이퍼에 빛을 비추어 전압 변화를 측정하면, 확실히 태양전지처럼 전압 변화가 확인되었습니다.
이어 Dr.Semiconductor 는 갈륨과 인듐의 혼합물로 이루어진 액체 금속을 제작했습니다.
웨이퍼 홀더는 3D 프린팅으로 제작하여 여기에 와이어를 접착하고, 액체 금속을 붓아 웨이퍼를 접착한 뒤 음극층에도 액체 금속을 부착했습니다.
양극과 음극에 모두 와이어를 연결하여 전류가 흐르게 합니다.
그 후 Amazon 에서 찾은 부품들을 사용하여 태양광 발전 회로를 조립하고, 제작한 태양광 패널로 리튬이온 배터리를 충전하는 테스트를 수행했습니다.
리튬이온 배터리의 전압이 정상적으로 상승하여 결국 스마트폰 충전 가능 수준에 도달했습니다. 다만, 태양광 패널의 발전 효율이 약 5% 로 낮고 크기가 작아 스마트폰을 완전히 충전하려면 약 3 개월이 걸린다고 합니다.
원문 보기 | 출처: Gigazine