현재 떠오르는 신재생에너지 중, 태양을 이용한 에너지는 논란의 여지가 없는 반영구적인 에너지이며 친환경적 방법이다. 태양을 이용한 에너지는 크게 태양광과 태양열 에너지로 나뉜다. 이 둘의 차이를 알아보고, 이 중 빠르게 성장하는 태양광 발전의 정의와 원리, 특징 그리고 태양전지의 종류 에 대해서 알아보자

태양광과 태양열

태양광 발전 기술은 햇빛에너지를 직접 직류 전기에너지로 변환하는 태양전지 기술과, 태양전지로부터의 직류전력을 교류전력으로 변환하는 전력변환 및 제어기술이라고 정의할 수 있다. 태양열 이용 기술은 햇빛의 열을 흡수ㆍ저장ㆍ변환해 건물의 난방 및 급탕에 활용하는 기술이다. 태양열은 태양광처럼 발전에 사용되지 못한다.

에너지관리공단에서 제공하는 신재생에너지 통계를 보면, 태양열 에너지의 생산량은 최근 10년간 계속 감소하는 추세이며, 태양광 에너지의 생산량은 초기에는 미미하다가 최근 2~3년간 연간 2배 정도의 가파른 성장곡선을 그리고 있다. 세계적으로도 태양광 발전 설비는 최근 5년간 연평균 60%씩 급격히 증가하는 추세다.

태양광이 전하를 만들어 전류가 발생한다

태양전지는 전기적 성질이 서로 다른 n형의 반도체와 p형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며, 2개의 반도체 경계부분을 pn 접합이라고 부른다. 태양전지에 햇빛이 닿으면 태양광은 태양전지 속으로 흡수되며, 태양광이 가진 에너지 때문에 플러스와 마이너스의 전하를 갖는 정공(hole)과 전자가 발생한다. 이와 같이 에너지 준위 차이가 있는 물질에 빛을 쏘면 전자와 정공이 분리되어 서로 다른 전하가 나타나는 현상을 통틀어 광기전력효과(photo-voltaic effect)라고 한다. 잘 알려져 있는 광전효과(photo-electric effect)의 일종이다. 빛에 의해 발생한 전자는 n형 반도체 쪽으로, 정공은 p형 반도체 쪽으로 모이게 되어 전지에 전위차를 만들어낸다. 이 전지를 모터나 전구 같은 부하에 연결하면 전류가 흐르게 되는데, 이것이 태양광 발전의 원리다.

환경 오염, 소음이 없고 반영구적인 에너지

태양광 발전은 현재 사용 가능한 여러 발전 방식과 비교해 여러 장단점을 가진다. 우선 태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 것으로 화학적 변화를 동반하지 않기 때문에 환경 오염물질을 발생하지 않고, 가동 부분이 없어서 소음도 발생하지 않는 장점이 있다. 또한, 다른 발전 방식에 비교해 단순한 시스템으로 구성되어 보수가 편리하며 무인화 운전이 가능하다.

태양에너지는 지속적이며 반영구적이라 고갈의 염려가 없다는 점도 강점이다. 규모에 따라서 발전 효율이 향상되는 화력발전 등과 달리, 태양전지는 면적에 따른 발전 효율이 일정해 필요에 따라 원하는 규모로 설치할 수 있다.

태양광 발전의 단점은 낮에만 가능하다는 것과 발전량이 햇빛 양에 따라 변화한다는 것이다. 그리고 태양광의 에너지 밀도와 발전 효율이 낮아 큰 전력을 얻으려면 넓은 면적이 필요하다. 태양광 발전은 직류 전류만 발생시킬 수 있으며, 교류 전류를 생산하려면 변환기가 필요하다. 이것은 응용 분야에 따라서 장점으로 작용하기도 한다.

기본에 충실해 가장 뛰어난 제1세대 태양전지

태양전지는 그 재질에 따라 제1세대, 제2세대, 제3세대로 구분한다. 제1세대 태양전지는 단결정 또는 다결정의 실리콘 반도체를 사용한다. p형과 n형 반도체 판을 접착시켜 pn 접합을 만드는 가장 기본 원리에 충실한 태양전지다. 단결정 실리콘 반도체는 이론적 한계 효율인 33%에 다가서고 있으며, 10년 내로 화석연료와 비교해 비용 면에서 경쟁력 있는 발전 분야가 될 것으로 기대된다. 하지만, 만드는 데 높은 에너지, 많은 실리콘과 인력이 필요해, 생산단가가 높으며 줄이기도 어렵다. 모든 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이며 상용화가 완료된 상태로, 현재 태양전지의 대부분은 제1세대다.

박막형 반도체로 단가를 줄이다

제2세대 태양전지는 제1세대의 단점인 높은 단가를 극복하기 위해 탄생했다. 제2세대 전지의 재질로는 비결정 실리콘, 미결정 실리콘 또는 CdTe, CIGS(Copper Indium Gallium Selenide) 등의 화합물 반도체가 사용된다. 이 재료들은 반도체보다 가격이 훨씬 싼 유리나 세라믹 기판 위에 얇은 막 형태로 입혀지기 때문에, 판 모양의 반도체 벌크(bulk)를 사용하는 제1세대보다 태양전지의 무게와 단가가 줄어든다. 그 대신, 전체적인 효율은 제1세대 전지와 비슷하거나 그보다 낮다. 제2세대 태양전지로 전환하려는 것이 최근 태양전지 제작사들의 추세지만, 상용화가 어려워 아직 시장 점유율은 낮다.

제3세대, 유기물을 이용한 새로운 도전

제2세대 태양전지는 실리콘 대신 다른 무기물 기판을 사용해 단가를 크게 낮추었다. 하지만, 금속이나 유리 등의 자원은 고갈될 가능성이 있다. 이에 따라 값이 훨씬 싸고 고갈의 걱정이 없는 유기물을 이용한 태양전지가 연구되고 있는데, 이를 제3세대 태양전지라 한다.

제3세대 전지 중 염료감응형 태양전지 (Dye Sensitized Solar Cell, 이하 DSSC)는 산화, 환원 반응을 이용한다. DSSC는 유리판 위에 씌운 투명한 전기전도성 막과 표면의 TiO2 나노 입자, 그리고 입자 사이사이에 자리잡은 유기염료로 구성된다. 이 전지는 요오드 전해질 용액 안에서 작동한다. 태양광이 염료를 비추면 염료에서 전자가 분리되어 전도성 막 안으로 들어간다. 반대로 정공은 표면 쪽으로 이동하게 되고, 요오드 분자를 산화시킨다. 산화된 요오드 분자는 반대쪽에 있는 백금 전극 쪽으로 이동, 환원되면서 전기를 생산한다.

다른 제3세대 전지인 유기물광전지는 n

형과 p형 유기물을 접합해 만든다. 기본 원리는 제1세대와 같지만, 유기물의 특성 때문에 전자와 정공이 제대로 분리되지 않아 이를 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다.

앞으로 이러한 연구들이 더 진행되어 저렴하고 고갈되지 않는 재료로 효율 높은 태양전지가 만들어진다면, 태양광 발전은 화석연료를 대체할 주요한 에너지원으로 자리 매김할 것이다.

윤철희, 강재승 기자

chyun90@kaist.ac.kr