누구든 알기 쉽게 쓰여진 태양광 발전 원리

현대 인류 사회를 순탄하게 지탱하기 위해서는 지속적으로 엄청난 양의 에너지가 필요합니다.

 

지구 상의 에너지 공급이 중단된 어느 날 밤에 야식으로 라면을 끓이기 위해서는 일상생활에 지친 고단한 몸뚱이를 이끌고 나가 주변에 나뭇가지 등 불쏘시개 들을 부지런히 끌어 모아야 합니다.
 그런 다음 땀을 뻘뻘 흘리며 온 힘을 다해서 나무 사이의 마찰력을 일으켜야만 드디어 불을 지필 수 있습니다. 실패할 가능성도 아주 높습니다. 밑의 두 꼬마는 슬프게도 결국 실패하고 말았습니다.

<사진 출처: http://www.kidspoon.com/43>

현대사회는 주로 화석 연료에 의해 에너지를 공급하고 있습니다. 그러나 화석연료는 언젠가는 고갈될 자원임이 분명하고 설령 고갈되지 않는다 해도 자원이 희소화 되면서 가격이 대단히 비싸지게 될 것입니다.

 

그래서 우리 기자단은 그 궁극적이면서 적절한 대체 자원으로 태양 에너지를 생각 합니다. 태양은 엄청난 에너지원이며(단 1시간의 일사량으로 전 인류가 1년간 사용하는 에너지가 공급된다) 고갈될 염려가 없으며 환경적으로 매우 깨끗한 에너지이기 때문입니다.

 

태양광 발전이란 기본적으로 빛 에너지를 곧바로 전기에너지로 바꾸는 것을 말하며 그 원리의 요체인 광전효과는 19세기에 이미 알려졌지만 1905년 아인슈타인에 의해 처음으로 원리가 설명되었습니다. 이로 인해 아인슈타인은 1921년에 노벨상을 타게 되었습니다. (상대성 이론으로 노벨상을 받은 것이 아니라 광전효과를 설명할 수 있게 되면서 노벨상을 받은 것이다)

 

태양광 발전의 서막이 열리다(광전효과)

 

1839년 프랑스 물리학자 에드몬드 베크렐은 연구 중에 은(금속)에 빛을 비추면 미세하게 전류가 흐른다는(전자가 방출된다) 것을 발견했습니다. ‘광전효과’ 라는 현상을 발견한 것입니다.

(광전효과: 금속 중에 전자가 빛 에너지를 받아 밖으로 튀어나오는 현상)

 

<사진 출처: www.100.naver.com>

 

여기 이 실험기구는 금속박 검전기라고 불리는 장치입니다. 위 그림의 금속판에   음전기를 주면 비커 속의 금속박에도 음전기가 퍼져서 음전기 사이의 반발력으로 금속박이 벌어지게 됩니다.

그런데 이 금속판에 빛이 비춰지게 되면 금속판의 음전기가 빛 에너지를 받아 밖으로 튀어나오고 따라서 금속박의 음전기 역시 줄어들게 되어 금속박은 닫히게 됩니다. 이를 광전효과라고 하는데 당시의 물리학으로서는 이 현상을 설명할 수 없었습니다.

 

아인슈타인의 생각한 광전효과(파동과 입자의 양면성)

 

당시에는 빛을 파장이라고 생각했기 때문에 광전효과란 일정 에너지 이상의 파장을 가진 빛을 금속에 가했을 때 생기는 현상이라고 생각했습니다.

 

그러나 위  실험에서 가장 수수께끼 같은 현상은 파장이 짧은 빛(진동수가 많다)에서만 광전효과가 일어난다는 것이었습니다.

 

그러니까 빛의 밝기(파장의 높낮이)를 아무리 강하게 해도(파장의 에너지가 강해지는 것) 파장이 긴 빛이라면 광전효과가 일어나지 않았습니다.

<사진 출처: http://navercast.naver.com>

이 수수께끼를 해결한 사람이 바로 아인슈타인이었습니다.

아인슈타인은 "빛은 파동이지만 그 속에는 더 이상 분할할 수 없는 최소의 덩어리가 있다"라고 설명했습니다. 즉, 빛은 파동이면서 또한 입자인 것입니다.

아인슈타인은 그 덩어리를 광자라고 정의하였습니다. 빛은 하나 둘 셋 이렇게 셀 수 있는 성질의 물질이라고 설명했습니다.

파장이 짧은 빛의 광자는 에너지가 크기 때문에 전자를 충격하여 광전효과를 일으키고 긴 파장의 광자는 에너지가 작아 아무리 많은 광자가 전자를 충격해도 광전효과를 일으키지 않는 것 입니다. (빛의 밝고 어두움은 광자의 수에 대응한다)

 

즉 사냥을 한다고 하면 파장이 짧은 빛의 광자는 K-2소총이라고 할 수 있고 파장이 긴 빛은 새총이라고 할 수 있습니다. 아무리 사냥감을 향해서 새총을 많이 발사한다고 죽지 않듯이 파장이 긴 빛은 광전효과를 일으키지 못합니다.

 

태양광 발전은 바로 이 광전효과를 이용한 기술입니다. 빛 에너지를 받아 튀어나온 전자의 흐름이 바로 전류가 되어 전구에 불을 켜거나 드라이기를 가동시키는 것입니다.

 

나는 반도체이다

 

일반적으로 물질 내에서 전자의 이동능력에 따라 도체와 부도체 그리고 반도체를 정의 합니다.

물질 내에서 전자가 자유롭게 움직일 수 있으면 도체라고 하고 전자가 자유롭게 움직일 수 없으면 부도체 또는 절연체라고 합니다. 이 도체와 절연체의 중간물질을 바로 반도체라고 합니다. 반도체란 원래는 전기가 거의 통하지 않지만 빛 이나 열 또는 불순물을 가해주면 전기가 통하는 물질을 말합니다.

 

태양광 셀은 바로 이 반도체로 구성되어 있습니다. 2층 구조로 이루어져 있으며, P형 반도체를 아래층으로N형 반도체를 위 층으로 하고 그 위에 금속 전극을 형성하여 셀을 완성합니다.

 

N형 반도체(Negative)

 

반도체 가운데 자유 전자가 많을 것을 N형 반도체라고 합니다. 다른 물질로도 N형 반도체를 만들 수 있지만 가장 기본적인 실리콘으로 N형 반도체에 대해서 설명하겠습니다.

(자유전자: 원자 내에서 전자들은 핵과의 인력에 의해 고정되어있는데 반해서 일정영역 안에서 움직임이 자유로운 전자, 주로 금속 내에 존재한다)

 

 

일부 원자를 제외한 모든 원자는 최 외곽 궤도에 전자를 8개 유지하고 싶은 성질을 가집니다. 이를 옥텟 규칙이라고 합니다. 원자는 이 옥텟 규칙을 따를 때 가장 안정한 상태를 유지합니다. 실리콘은 최 외곽 궤도에 전자가 4개 존재합니다.

 

최외각 궤도에 대해 더 알고 싶으면http://solarfollowers.tistory.com/431에 아주 자세히 설명되어 있습니다.

 

실리콘은 최 외곽 전자가 4개가 있으므로 또 다른 실리콘 원자 4개와 서로의 최 외곽 전자를 공유(공유 결합)해야만 최 외곽 궤도에8개의 전자를 충족할 수 있습니다.(밑 그림)

이렇게 공유결합 되어있는 실리콘에 10만분의 1 ~ 100만분의 1의 비율로 최 외곽 전자가 5개인 인을 첨가합니다. 이 경우에도8개의 전자가 최 외곽 궤도에 있는 것이 가장 안정한 상태이므로 인을 넣었을 경우에도 실리콘과 같이 4개의 공유 결합을 만들려고 합니다.

인은 실리콘보다 최 외곽 전자가 하나 많으므로 전자 하나가 떨어져 나가 자유전자 하나를 만듭니다. 이렇게 실리콘에 의도적으로 인이라는 불순물을 첨가하는 공정을 도핑 공정이라고 합니다.

 

P형 반도체

 

반도체 가운데 정공이 많은 것을 P형 반도체라고 합니다. P형 반도체는 불순물로 인 대신에 붕소를 넣습니다.

붕소는 최 외곽 전자가 실리콘 보다 하나가 적은 3개 이므로 실리콘에 붕소를 첨가하면 밑 그림과 같이 공유 결합된 전자가 하나 부족하게 됩니다. 이렇게 전자가 떠나가 빈 자리를 곳을 정공, hole 또는 양공으로 표현합니다.

 

넘사벽(넘을 수 없는 벽) P-N접합

 

태양광 셀을 2층 구조로 되어있으며 위 층을 N형 반도체로 아래층을 P형 반도체로 하여 접합하면 태양광 셀의 기본 모양이 됩니다. 이 때 두 반도체의 접합 면을 P-N접합이라고 합니다.

 

태양광 셀은 2층으로 나눠져 있고 빛을 쬐기 전부터 이미 위층에는 일정 수의 자유전자가 있고 아래층에는 일정 수의 정공이 있는 상태입니다.

 

P형 반도체와 N형 반도체를 조합하는 순간P-N접합 면 일정 구간 안에서는 위층에 원래 존재하던 자유전자가 아래층에 원래 존재하던 홀을 어느 정도 메우게 됩니다.

 

이 것이 마치 셀 내부의 벽의 역할을 하여 셀 내부에서의 자유전자와 홀의 이동을 막습니다. 물을 가두는 댐의 역할을 하는 것입니다. 태양광 셀에서는 물이 아니라 자유 전자를 가두는 댐이라고 할 수 있습니다.

 

 

이렇게 만들어진 P-N접합 면에 빛이 내리쬐게 되면, 광전효과에 의해서 또다시 새로운 자유전자와 홀이 생성됩니다. 새롭게 생성된 전자는 안정적으로 존재할 수 있는 위층으로 이동하고 동시에 생기는 정공 역시 안정적으로 존재할 수 있는 아래층으로 이동합니다.

 

이렇게 위층에는 전자가 아주 많은 상태이고 아래층에는 전자가 아주 없는 상태(‘전압’이 높아진다)에서 위층과 아래층을 회로로 연결하면 마치 댐에서 수문을 열면 물이 터져 나오듯이 위층의 대량의 자유전자가 아래층으로 이동하게 됩니다. 이 흐름이 바로 전류이며 온갖 전기 제품을 가동시킵니다. 즉 발전하는 것입니다.

 

 

지금까지 대략적으로 태양광 발전의 원리에 대해서 알아보았습니다. 최근에는 지속적인 연구로 인해서 태양광 셀 기술이 발달하여 실리콘을 이용하지 않고 새로운 물질을 발굴하여 발전을 하거나 심지어는 P-N접합을 이용하지 않는 태양광 발전 등 완전히 새로운 개념의 태양광 셀도 등장하고 있습니다.

또한 최근에는 태양광 셀을 통해서 모은 전기 에너지를 배터리에 효율적으로 축적하는 융합적 기술도 각광받고 있습니다.

 

SF 기자단 이명준 (comebabo1@naver.com)