입자로서의 빛의 응용-태양전지

입자로서의 빛의 응용

-태양전지

오늘날 빛은 폭넓은 응용성으로 시간이 지날수록 우리 삶에 깊게 관여하고 있습니다. 빛은 우리에게 너무 익숙하지만 특정한 모습을 띠고 있지 않아 때로는 빛의 존재가 추상적으로 느껴집니다.

그렇다면 '빛'의 정체는 정확히 무엇일까요?

빛은 이중성을 가지고 있습니다. 빛이 '파동으로서의 성질'과 '입자로서의 성질' 이 두 가지를 갖는다는 것입니다.

먼저, 19세기 과학자 제임스 맥스웰의 발견을 따르면 '빛=전자기파'라고 합니다. 즉 빛은 전파, 적외선, 자외선, X선, 감마선 등의 전자기파와 같은 무리인 셈입니다.

그렇다면 전자기파(빛)란 무엇일까요? 전기와 자기는 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 자기장의 변동으로 전기장이 발생하고, 전기장의 변동으로 자기장이 발생합니다. 맥스웰은 '변동하는 전류'를 계기로 주위에 전기장과 자기장이 차례차례 연쇄적으로 발생하면서 나아간다는 사실을 발견했고 이것이 바로 전자기파입니다.

                             <출처: 네이버 지식백과 '전자기파'>

전자기파는 에너지를 옮깁니다. 예를 들어, 어떤 금속 선(일종의 안테나)을 향해 전자기파가 다가오면, 전자기파가 지니고 있는 전기장의 방향과 크기에 따라 금속의 전자가 힘을 받아 진동하게 됩니다. 수면의 파동이 에너지를 옮겨 떠 있는 공을 진동시키는 것과 마찬가지로 전자기파도 에너지를 옮겨 전자에게 운동 에너지를 주는 것입니다. 전자기파가 물질 중의 전자를 흔들 때, 전자기파 일부는 물질에 흡수되며 그 에너지가 물질에 인계되는데 이것이 바로 물질에 빛(전자기파)이 흡수되는 것의 의미입니다.

두 번째로, 빛은 '광자'라고 불리는 '에너지 덩어리들의 모임'으로 정의됩니다. 금속에 빛을 쬐면 빛에너지를 받은 전자가 금속에서 튀어나오는 현상인 '광전효과'를 설명하기 위해 아인슈타인은 빛의 입자설을 주장했습니다. 전자기파에 더 이상 나눌 수 없는 '에너지의 최소 단위'가 있다고 생각한 것입니다.

                               <출처: Physics Forums>

태양 빛은 이러한 빛의 집합체로 눈에 보이는 가시광선뿐 아니라 자외선과 적외선도 태양 빛 속에 포함되어 있습니다. (적외선은 빨간색 가시광선보다 파장이 긴 빛, 자외선은 보라색 가시광선보다 파장이 짧은 빛이라고 할 수 있습니다.) 이 태양 빛의 응용분야 중 하나가 태양의 빛에너지를 전기로 바꾸어 사용하는 '태양광발전'입니다.

태양광 발전은 '태양전지'라는 패널(판)을 도구로 해서 전기를 만들어 내는 시스템으로, '태양 전지 패널(모듈)'이 시스템의 핵심을 맡습니다. 패널 한 장씩을 '모듈'이라 부르며 모듈 안에는 다시 작은 판이 수십 개 늘어서 있고 이 판은 태양 전지의 본체이며, '셀'이라고 부릅니다.

 

 

                                       <출처 : 네이버 지식백과 '태양전지'>

현재 가장 많이 보급되는 셀 재료는 '실리콘(규소)' 결정으로, 결정 실리콘 태양 전지의 셀 내부는 실리콘에 들어가는 불순물(인과 붕소의 원자)의 종류에 따라 상하 2층 구조로 되어 있습니다. 100% 순수한 실리콘 결정보다 전자의 수가 여분으로 있는 위층(규소+인)과 전자가 부족한 아래층(규소+붕소)으로 나누어집니다.

실리콘의 독특한 성질 때문에, 빛을 쬐면(태양 빛 에너지를 받으면) 위층에서는 실리콘(규소)의 전자가 본래의 궤도를 이탈해 자유 전자가 되며 아래층에서는 전자가 궤도를 이탈함으로써 '전자의 빈자리(홀)'가 생깁니다. 빛을 받아 자유 전자가 발생해도 셀 내부를 이동해 아래층의 홀을 메워 버리면 밖으로 전류가 흐르지 않기 때문에 실제로는 위층과 아래층이 접한 지점에 벽과 같은 접합면을 만들어 냅니다. 따라서 빛이 내리쬐면 새로 생긴 자유 전자는 안정적으로 존재할 수 있는 위층으로 이동하고 홀은 아래층으로 이동해 모이게 되는 것입니다. 즉, 위층이라는 댐에 자유 전자라는 물이 충분히 고인 상태가 되고 여기에서 위층과 아래층을 바깥 회로로 연결하면, 대량의 자유 전자가 밖의 회로를 통해 아래층으로 흘러들어 갑니다. 이 과정을 통해 전류가 흐르게 되고 전기 제품을 작동시키게 됩니다.

 

                            <출처: 울산대학교 태양전지 기술개발 연구실>

빛은 파동으로서나 광자로서 모두 에너지를 가진 존재입니다. 그중에서도 태양전지는 빛을 받아 전자가 궤도를 이탈하는 원리를 이용한 것으로 '빛의 광자성'을 이용한 것이라고 할 수 있습니다.

다양한 빛의 집합체인 태양 빛 에너지의 양은 지구에서 약 18만 TW에 이르고 그 가운데 12만 6,000TW가 직접 지표나 바다에 닿습니다. 만일 이 에너지를 모두 전기로 바꿀 수 있다면 단 1시간의 양으로 전 인류가 소비하는 1년간의 에너지를 공급할 수 있다고 합니다. 따라서 태양광 발전에 대한 연구가 활발하게 지속된다면 무한한 에너지를 가진 빛을 응용한 최고의 분야로서 자리매김하게 될 것입니다.

-Reference:뉴턴하이라이트 빛이란 무엇인가?/태양광 발전

S.F. 유아름(dkfmadl212@naver.com)