안녕하세요. 신재생에너지 전문가 썬랩입니다!

지구를 지키는 신재생에너지의 필요성이 대두되면서 무한한 자연 에너지인 태양빛을 이용한 발전이 각광받고 있습니다. 단 90분 동안 지구에 비치는 태양광 에너지의 양이 인류가 1년간 쓸 수 있는 에너지의 양과 같다고 합니다.

태양이 뿜어내는 무한한 자원인 빛, 그 빛을 전기로 바꾸는 원리는 무엇일까요?

이 문장은 태양광 발전 시스템의 원리를 한 문장으로 표현한 것인데요. ‘반도체’, ‘광전효과’, ‘방출된 전자가 전기로 바뀌는 원리’에 대한 개념을 하나하나 살펴보면서 이 포스트를 다 읽고 난 후에는 이 문장이 한눈에 이해될 수 있도록 마스터해보겠습니다.

광전효과란?

광전효과란 특정 주파수 이상의 빛이 특정 금속 물질에 부딪히면 전자가 방출되는 현상입니다. 
이 광전효과를 태양광발전에 적용해서 다시 말해본다면, 태양빛이 태양전지에 부딪히면서 전자가 방출되는 현상을 말합니다. 이때 생기는 전자가 태양광 시스템을 통하여 전기로 변환되는 것이 태양광 발전입니다.

이미지 : 한국에너지기술연구원

1. 전자와 정공의 생성
태양빛이 태양전지에 흡수되면 빛 에너지에 의해 광전효과가 일어나면서 태양전지 내에서는 전자(-)와 정공(+)이 쌍을 만들면서 움직이기 시작합니다. 원래 전자(-)와 정공(+)은 자유롭게 움직이다가 소멸하게 되는데요. 여기서 전자(-)와 정공(+)을 소멸시키지 않고 전류로 만들기 위해 태양전지 내의 각기 다른 성질을 가지고 있는 P형 반도체와 N형 반도체의 접합이 중요한 역할을 하게 됩니다. 

2. PN접합을 통한 전류 생성
PN접합은 전자(-)가 N형 반도체 쪽으로 이동할 수 있는 길을 마련해 주는데요. 이 길을 통해 전자(-)가 N형 반도체 쪽으로 흐르면, 남은 공간에 있는 정공(+)이 반대 방향인 P형 반도체 쪽으로 흐르게 되는 원리입니다. 이 흐름이 바로 전기의 흐름, 전류가 되는 것이지요.

전자와 정공을 공에 비유한다면, PN접합은 경사길의 역할을 해서 공들이 각자의 길로 굴러갈 수 있도록 해주는 것입니다. 즉, 태양빛을 받아 생성된 전자(-)와 정공(+)이 PN접합을 통해 방향성을 띄게 되면서 전류가 흐르게 되는 것입니다.
태양광 발전에 의해 정공(+)은 전지 밑으로 연결된 전선을 따라 이동하고 전자(-)도 태양전지의 표면에 연결된 전선을 따라 이동하게 되는데요. 이후 인버터를 거치게되면 직류가 교류로 전환되고, 배터리 개념인 ESS로 이동하면 전류는 양극(+)과 음극(-)을 갖춰 저장됩니다.

그렇다면 태양광 발전의 핵심 역할을 하는 태양전지는 어떤 성분으로, 어떤 공정을 거쳐 만들어질까요?

태양전지의 주원료는 실리콘입니다. 실리콘은 빛에 잘 반응하고 전기적 안정성이 높아 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 주요 역할을 합니다. 이 실리콘을 태양전지로 만들기 위해서는 실리콘을 녹여 기둥 모양의 거대한 막대 모양으로 가공하여 ‘잉곳’을 만들고 잉곳을 얇게 절단하고 연마하여 ‘웨이퍼’를 만듭니다.

바로 이 웨이퍼에 각 제조사만의 첨단 기술을 적용하여 가공하면 태양전지가 만들어집니다. 이렇게 만들어진 태양전지가 모여서 모듈, 어레이, 태양광 시스템을 구성하게 되죠.

태양전지를 만드는데 가장 많이 쓰이는 소재는 시장점유율 90% 이상을 차지하는 결정질 실리콘입니다. 하지만 최근 저비용, 고기능을 구현하기 위한 신소재 태양전지 기술 개발이 다방면으로 시도되고 있다고 합니다.
그중 한 가지 대안으로 꼽히는 것이 바로 박막인데요. 박막은 기계 가공으로 만들 수 없는 두께(1/1,000mm) 이하의 막을 말합니다. 박막은 실리콘 재질보다 가격은 더 높고 발전효율은 비슷한 수준인데요. 왜 신소재로 각광을 받는 것일까요?

이미지 : 솔라플렉스

그 이유는 바로 활용도 때문입니다. 박막 태양전지는 건물 외장에 구부려서 설치하거나 창호, 텐트, 옷, 핸드폰 등 물건 겉면에 다양하게 활용할 수 있습니다. 또한 타입에 따라 PN접합층을 실리콘보다 많이 만들어 낼 수 있기 때문에 발전효율을 높일 수 있는 가능성을 지닌 소재이기도 합니다.

태양광 발전 사업은 이제 단순히 전력을 생산하는 발전소의 역할을 넘어서 우리 실생활 곳곳에 녹아들고 있기 때문에 다양한 분야에서의 활용성이 높은 소재가 주목을 받을 수밖에 없습니다. 기존 태양광 발전소에 쓰이는 태양전지가 가격과 효율을 중심으로 개발되어 왔다면 이제는 무게, 효율, 유연성 등을 고려하여 신소재 개발이 이루어지고 있습니다. 그렇기 때문에 박막 태양전지가 점차 시장에서 입지를 넓혀가고 있죠. 

지구온난화에 대한 해결책으로 세계 재생에너지 시장이 급성장하게 되면서 올해에는 태양광 발전비용이 전통 발전원(석탄, 가스, 원자력)에 비해 낮아지는 그리드 패리티에 진입하게 되었는데요. 경제성을 확보한 태양광 발전 사업은 앞으로 재생에너지 보급의 중심에서 고효율, 융복합 형태로 더욱 확산될 것으로 보입니다.
장차 국내의 기후변화 대응 및 에너지 자립에 기여할 수 있도록 무한한 태양빛을 활용한 태양광 발전사업이 대규모 전력을 책임짐과 동시에 우리의 일상 속에서 다양한 제품들과 융합되어 태양광발전 제품이 친숙해지는 경험을 기대해봅니다.

썬랩은 계속해서 발전하는 태양광 관련 신소재, 신기술을 접목한 모듈, 인버터, 구조물을 활용하여 태양광 발전 사업이 올바른 방향으로 성장하고 보급될 수 있도록 끊임없는 관심과 노력을 기울이겠습니다.

글. 황혜란 (썬랩 기획마케팅 주임)