점점 더 얇아지는 태양전지

점점 더 얇아지는 태양전지

대학생신재생에너지기자단 21기 마승준

 

태양전지의 원리

태양전지란 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다. 우리가 주변에서 흔히 사용하는 건전지와 비슷한 역할을 하는데, 그 구조가 달라서 건전지는 화학전지로 분류하고 태양전지는 물리전지로 분류한다. 태양전지의 기본 구조는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 p-n 접합 구조로, 이는 전기에너지 변환에 핵심적인 역할을 한다. 태양전지가 전기를 만드는 과정을 조금 더 자세하게 이해하려면 태양전지에 태양광을 비추는 상황을 가정해야 한다. 태양전지에 빛에너지가 전달되면 내부에서 -전하를 띠는 전자와 +전하를 띠는 정공이 생성된다. 발생된 전하들은 각각 P극과 N극으로 이동하며, 따라서 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하게 된다. 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과라고 한다. 태양전지의 에너지원은 태양의 빛이므로 그 양이 무한할 뿐더러, 설치 비용을 제외한 추가 비용이 거의 발생하지 않는다는 것에서 큰 이점을 갖는다. 그리고 발전기를 돌려서 에너지를 얻는 방식이 아니기 때문에 환경 오염 물질도 전혀 나오지 않아 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 

[자료 1. 태양전지의 원리]

출처 : 두산백과

 

생활 속의 태양전지

길을 걷다 보면 태양광판이 설치되어 있는 것을 한번 쯤은 보았을 것이다. 이 태양광판도 태양전지라고 할 수 있다. 태양전지는 주로 한 개로 쓰이지 않고 여러개를 조합해서 사용한다. 태양전지 여러 개를 결합한 것을 태양 모듈이라고 하고, 태양 모듈을 다시 여러 개 결합한 것을 태양 패널이라고 한다. 가정이나 시설들에 설치된 태양광판들은, 정확히 말하자면 태양 전지가 여러 개 결합된 태양 패널이다. 그렇다면 이러한 태양 패널을 가정에 설치하면 얼마만큼의 전기를 충당할 수 있을 까? 보통 가정의 경우 3kw 급의 태양광 패널을 설치한다. 3kw 급의 태양광 패널이 월 평균적으로 생산하는 전기의 양은 300kw 정도 된다. 현재 한 가정당 평균 전기 사용량이 450kw 정도 되는 것을 고려하면 태양광 패널을 이용하여 상당부분을 충당할 수 있다는 것이다. 그러나 태양광 패널 같은 경우에는 설치 비용이 저렴하지는 않다. 앞서 말했던 3kw 급의 경우 설치비용이 거의 500만원에 달한다. 이 중 정부에서 50%를 지원해주고 있으며 지방자치 단체에서도 설치 비용을 추가적으로 지원해주는 곳도 있다. 지원 비용을 빼더라도 개인이 지불해야 하는 금액은 100만원 이상이다. 또한 태양광 패널은 아무곳에나 설치할 수 없고 정부에서 제시한 조건을 충족시키는 곳에만 설치할 수 있다고 하니 아직은 태양광 패널이 완벽하게 상용화 되었다고 말할 수는 없다. 도시의 대부분의 사람들이 거주하는 아파트는 좁은 면적에 많은 사람이 살기 때문에 면적이 넓을 수록 유리한 태양광 패널의 설치 효율이 떨어질 수 밖에 없다는 점도 발목을 잡는다. 즉, 국토 면적이 상대적으로 작은 우리나라에서는 아직까지 태양광 발전이 적극적으로 활용되기가 어렵다는 것이다. 태양전지는 앞서 말했던 발전용 태양광 패널을 제외하고도 전자 시계, 전자 계산기 같은 작은 전자 제품에도 활용되고 있다. 이러한 제품들은 별도의 건전지 없이 태양광만으로 사용을 지속할 수 있다는 장점이 있다. 

[자료2. 태양광 패널]

출처 : 기호일보

 

머리카락보다 얇은 태양전지

최근 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀이 사람의 머리카락보다 얇은 태양전지판을 개발했다고 발표했다. 이 태양전지판은 그 무게가 기존 태양전지 무게의 100분의 1에 그치는 획기적인 태양전지이다. 태양광 모듈 자체를 테스트했을 때의 전력 생산량은 kg당 730와트이고 고강도 직물에 접착했을 때는 370와트다. 이 수치는 기존 태양전지판과 비교했을 때 약 18배 높은 수치이며 무게 대비 효율도 우수한 편이라고 할 수 있다. 이러한 초경량 태양전지가 가능하게 된 것은 전자 잉크 형태의 나노물질을 이용해 기판 위에 태양전지 구조물을 얹는 것에 성공한 덕분이다. 그 후, 스크린 인쇄로 구조물에 전극을 달아 태양광 모듈을 완성한 뒤 인쇄된 모듈을 벗겨냈다. 이렇게 완성된 초경량 태양광 모듈의 두께는 약 15미크론이다. 이 정도로 얇은 태양광 모듈은 보통 잘 찢어지고 다루기 어려운 것이 대부분인데 연구팀은 가볍고 유연한 다이니마직물에 모듈을 접착해 이 문제를 해결했다. 또한 태양전지판 직물을 500회 이상 감았다가 펴는 테스트에서 잠재력 발전량 손실분이 10% 미만으로 나타나 내구성 역시 검증되었다. 이만큼이나 완벽에 가까운 태양전지판이 개발된 지금, 마지막 과제는 초경량 태양전지를 보호할 적합한 물질을 찾는 것이다. MIT 연구팀의 초경량 태양전지는 기존 전지보다 가볍고 유연하지만 다른 재료로 둘러싸서 주변환경의 영향을 최소화해야 한다는 번거로움이 있다. 초경량 태양전지를 만드는 데 사용되는 탄소 기반 유기물질은 공기 중의 수분 및 산소와 상호 작용하면 성능이 떨어질 수 있기 때문이다. 

[자료3. 초경량 태양전지판]

출처 : POPULAR SCIENCE

 

앞으로의 태양전지

2050 탄소 중립 정책을 지키기 위해서는 약 30년 안에 석유 에너지 및 내연 기관 발전에 의한 에너지를 없애야 한다. 즉, 탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지로 이 모든 것을 대체해야 한다는 뜻이다. 원자력, 수력, 풍력 등 다양한 신재생에너지와 더불어 탄소중립의 핵심 해결책으로 자리 잡은 태양광 에너지는 아직까지는 그 효율을 석유 에너지 만큼 끌어올리지는 못하고 있는 것이 사실이다. 하지만 가장 초기에 개발된 태양 전지가 1% 대의 효율을 가지고 있었던 것을 현재 30%가 넘는 효율로 발전시킨 것을 고려하면 그 변화는 무궁무진하다고 할 수 있다. 앞으로 태양전지의 두께는 점점 얇아질 것이며 그만큼 효율은 상승할 것이다. 우리나라도 이에 발 맞춰 태양전지 개발에 박차를 가한다면, 향후 에너지 확보의 선두주자로서 커다란 경쟁력을 가질 것으로 기대한다.

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태양전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "폴더블 열풍! 자가치유형 태양전지", 작성자(22기 이지원, 한예림, 홍세은),

 https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3861

2. "빛으로 가공하는 반도체, 태양전지 효율 상승의 무궁무진한 미래", 작성자(19기 정지영),

https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3875

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참고문헌

[태양전지의 원리]

1) "태양전지의 원리", 두산백과, 2018.01.18, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1152460&cid=40942&categoryId=32372

[생활 속의 태양전지]

1) 이정탁, "안양시, 올 총 244kW 태양광 발전설비 설치 등 신재생 에너지 보급 확대", 기호일보, 2022.12.26, http://www.kihoilbo.co.kr/news/articleView.html?idxno=1009745

[머리카락보다 얇은 태양전지]

1) 전미영, "머리카락보다 얇은 초경량 태양전지판 개발", POPULAR SCIENCE, 2022.12.12, http://www.popsci.co.kr/news/articleView.html?idxno=20281