[에너지단열경제]안조영 기자
태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 장치이다.
빛에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있다는 점에서 화력발전소나 원자력 발전소로부터 전기를 생산하는 방식보다 친환경 방식으로 알려져 있다.
에너지를 갖고 있는 빛이 재료의 표면에 비추게 될 때 전압과 전류가 발생되는 광전효과(Photovoltaic effect)에 기초한 전자소자이다.
즉, 빛 에너지가 전기로 바뀌는 현상인 광전효과를 만드는 전기기구를 태양 전지, 광기전력 전지(photovoltaic cell) 또는 광전지라고 부른다.
태양 전지는 그 광원이 태양이라는 데서 유래하였지만, 인공의 빛으로도 작동하기 때문에 광전지라고 해도 그 의미는 같다.
빛을 쪼이면 전류, 전압, 저항과 같은 전기적 특성이 변화하는 기구를 통틀어 광전 기구(photoelectric devices)라고 하는데, 태양 전지는 이런 기구의 하나이다.
태양전지는 실리콘에 인과 같은 원소를 혼입(dopping)하여 전자가 과잉인 n층과 실리콘에 붕소와 같은 원소를 혼입하여 전자가 부족한 p층을 접합하여 만든 p-n 접합(p-n junction)이 몸통을 이룬다.
여러 금속층으로 만든 캐쏘드(전자가 들어오거나 환원 반응이 일어나는 전극)에는 반사 방지층(anti-reflection layer)으로 덮여있으며, 애노드(전자를 방출하거나 산화 반응이 일어나는 전극)는 알루미늄으로 만들어져 있다.
빛을 흡수하여 만들어진 전자와 정공은 각각 캐쏘드(cathode)와 애노드(anode)로 이동하는데, 이는 p-n 접합 부분에서 전위차(potential difference)가 생기기 때문이다.
이 결과 전자와 정공을 다시 합쳐지지 않고 분리된다.
전자는 전극(캐쏘드)을 통해 외부로 흘러 전기가 하는 여러 가지 일을 하고 태양 전지로 돌아와 정공과 결합한다.
p-n 접합 반도체에 빛을 쪼이면 원자기띠의 전자가 전도띠로 들뜨면서 원자가띠에 정공이 만들어진다.
전도띠의 전자는 퍼턴셜을 따라 왼쪽으로, 정공은 오른쪽으로 이동한다. 전자는 전극을 통해 외부로 이동한다.
태양전지 발전패널은 실리콘 기반의 n-type반도체와 p-type반도체의 접합을 통해 만들어진 태양전지 패널을 이어 붙여 활용한다.
태양전지를 집적한 패널을 설치하여 전력을 생산하게 된다.
생산된 전력은 가로수, 가정, 및 산업체에 공급하게 된다.
화력 발전소나 원자력 발전소는 전력을 생산하는 과정에서 유해한 물질이 방출되어 환경오염의 요소가 많으나, 태양전지 발전 방식은 전력을 생산하는 과정에서 유해한 물질을 방출하지 않아 친환경 전력 발전 방식이다.
태양전지를 구성하는 재료의 종류에 따라 태양전지를 구분한다.
대표적인 것이 실리콘 태양전지이다.
실리콘 태양전지 중에서도 실리콘의 결정 상태에 따라 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지가 있다.
일반적으로 단결정 실리콘 태양전지의 광변환 효율이 가장 좋으나, 태양전지 제작 비용이 비싼 단점이 있다.
반면 다결정, 비정질 실리콘으로 갈수록 생산 단가는 낮아지게 되나, 단결정 실리콘 태양전지에 비해 광변환 효율이 낮다.
이와 같은 실리콘 기반의 태양전지를 1세대 태양전지라고 한다.
2세대 태양전지는 재료의 소모량을 극소화시켜 박막이 형태로 제작한 태양전지를 말한다.
이와 같은 박막 태양전지는 재료면에 있어 실리콘을 사용할 수도 있고, 다른 화합물 반도체를 사용할 수도 있으나, 모두 박막의 형태로 제작된다는 점이 1세대 태양전지와의 차이점이다. 박막 태양전지에서 대표적으로 활용되는 화합물 반도체는 copper indium gallium selenide (CIGS)가 있다.
CIGS를 기반으로하는 태양전지의 경우, 기존 실리콘 태양전지보다 효율면에서 우수한 특성을 보인다.
3세대 태양전지는 2세대 박막 태양전지를 기반으로하나, 사용되는 반도체 소재가 유기물 반도체 등과 같은 새로운 소재이다.
유기물 반도체를 활용함으로써, 공정온도를 낮출수가 있으며, 이에따라 태양전지를 제작하는 기판 선택의 폭이 넓어졌다.
플라스틱과 같은 유연한 기판에 태양전지를 제작할 수 있어, 태양전지 또는 웨어러블 태양전지등과 같은 새로운 응용처에 적용이 가능하다.
[ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]
