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최근 환경오염과 에너지 고갈 문제가 인류의 주요 문제점으로 떠오르면서 신 재생 에너지 연구가 활발해지고 있습니다. 그 중 가장 주목받고 있는 것이 태양광 에너지 분야 인데요. 그 이유는 태양광이 주변에서 쉽게 얻을 수 있고, 고갈의 위험이 적은 천연 에너지이기 때문이죠. 그렇다면, 태양광은 어떻게 전기 에너지로 만들어지는지는 것일까요? 지금부터 태양광이 에너지로 만들어지는 과정에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
태양광 에너지는 어떻게 만들어질까?
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▲ 태양광 에너지 산업 부품 (출처: 에코파워)
태양 빛을 전기 에너지로 바꿔 활용하는 태양광 에너지 산업 시스템은 크게 ‘태양전지(Sola cell), 모듈(module), 시스템(System)’으로 구성되어 있습니다. 이 세 가지가 각자의 역할을 수행하여 태양 에너지를 전기로 사용할 수 있게 되는 것이죠. 지금부터는 각각 어떠한 방식으로 태양광 에너지 변환 역할을 수행하고 있는지 알아보도록 하겠습니다.
하나. 태양 빛을 전기로 변환해주는 ‘태양전지’
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▲ 모듈로 조립되기 전 태양전지의 모습 (출처 : solasystem)
태양전지는 햇빛을 전기 에너지로 변환시켜주는 역할을 수행합니다. 태양전지는 직접 태양 빛을 받아 전기 에너지로 변환하기 때문에 세 가지 시스템에서 가장 중요한 역할을 하고 있습니다.
태양 전지는 만들어지는 재료에 따라 ‘실리콘 반도체’와 ‘화합물 반도체’로 나뉘게 되는데요. 현재 대부분 태양광 산업에서 이용하고 있는 것은 실리콘 계열의 반도체로 이루어진 태양전지 랍니다. 실리콘 계열의 반도체로 만들어지는 태양전지는 전기적 성질이 다른 반도체를 접합시켜 만들기 때문에 태양광을 전기로 변환시키는데 매우 효율적이라고 합니다.
둘. 전기에너지를 모아주고 바꿔주는 ‘모듈’
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▲ 태양전지와 모듈 (출처: 고그린아 홈페이지)
모듈은 작은 크기의 태양전지를 직렬과 병렬로 연결하여 만들어집니다. 태양전지는 매우 얇고, 강도가 약해 파손되기 쉬운 성질을 띄고 있는데요. 이를 연결하여 견고한 프레임으로 보호하고, 회로를 연결시켜 ‘태양전지 판’ 형태로 만든 것이 모듈이랍니다.
모듈은 태양전지가 태양광을 전기 에너지로 바꿔주면, 이를 적절한 전압과 전류로 바꿔 한 곳에 모아주는 역할을 수행합니다. 수많은 태양전지가 생성하는 전기 에너지를 회로에서 제어하여 시스템으로 보낼 수 있도록 만들죠. 이러한 모듈은 가정이나, 공장 등 사용처에 따라 휘어지는 ‘플렉시블 모듈’, ‘지붕형 모듈’ 등 다양한 형태로 사용되고 있습니다.
셋. 전기에너지를 저장하고 제어하는 ‘시스템’
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▲ 태양광 에너지 시스템의 예 (출처: hythanestore.com)
시스템은 모듈을 통해 얻게 된 전기 에너지를 저장고에 보관하고, 사용할 수 있게 변환, 제어하여 보내주는 역할을 수행합니다. 시스템의 저장고 중 가장 흔히 쓰이는 것은 축전지인데요. 이는 낮에 변환한 태양광 에너지를 보관하여 태양광이 없는 저녁에도 사용할 수 있도록 저장하는 역할을 수행한답니다.
보통 태양광 에너지를 통해 얻을 수 있는 에너지는 직류 형태의 전기 에너지입니다. 하지만, 우리 생활에서 사용하는 전기 에너지는 교류 형태의 에너지인데요. 시스템은 이러한 직류 형태의 전기를 교류 형태로 변환하는 역할도 동시에 수행하고 있습니다. 이렇게 바뀐 에너지를 가전제품 등에서 사용할 수 있게 되는 것이죠.
이렇듯 태양광 에너지를 만드는 과정에도 다양한 구성과 역할이 존재하는데요. 이 중 최근 주목 받는 것이 에너지 변환 효율성이 가장 높은 ‘실리콘 태양전지’라고 합니다. 태양광 에너지 산업에서 뜨고 있는 ‘실리콘 태양전지’. 과연 어떤 것일까요?
태양전지의 선두주자, 실리콘 태양전지 파헤치기
실리콘 태양전지는 앞서 설명했듯 실리콘 소재로 만든 반도체가 태양광을 에너지로 변환하는 구성품입니다. 최근 태양광 에너지 산업에서 효율성을 인정받으며, 지속적으로 발전하고 있죠. 그럼 지금부터 뜨고 있는 실리콘 태양전지의 원리와 종류에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
하나. 실리콘 태양전지의 과학적 원리를 살펴보자!
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▲ 실리콘 태양전지 구조<N형 반도체(다수 전자), P형 반도체 (다수 정공)> (출처: 한국대체에너지 홈페이지)
실리콘 태양 전지는 크게 ‘P형 반도체와 N형 반도체’, ‘반사 방지막’, ‘전극’ 으로 나뉩니다. 먼저 N형 반도체와 P형 반도체는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 역할을 하고 있는데요. 이러한 반도체들 모두 실리콘으로 만들어지고 있기 때문에, 실리콘 계열의 태양전지라는 명칭을 얻게 된 것이죠.
반사 방지막은 태양광의 반사를 막아주는 역할을 합니다. 예를 들면, 검은 색 천으로 감싸놓은 얼음이 태양빛에 빨리 녹는 것과 같은데요. 반사 방지막은 태양전지가 흡수한 태양광이 반사되어 새어나가지 않도록 필요한 태양 에너지를 흡수하고, 필요 없는 빛은 반사하는 역할을 한답니다.
마지막으로 ‘전극’은 P반도체와 N 반도체에서 만들어낸 전기에너지를 이동시켜 주는 역할을 하는데요. 반도체가 변환한 태양광 에너지를 시스템으로 보내주는 전극이 없다면, 전기 에너지는 저장되지 않고 모두 열이 되어 날아가기 때문에 전극의 역할 또한 매우 중요하다고 할 수 있습니다.
이렇듯 작은 실리콘 태양전지를 구성하는 요소에도 다양한 역할과 원리가 들어 있습니다. 재미있는 것은 이러한 실리콘 태양전지에도 다양한 종류가 있다는 것인데요. 지금부터는 실리콘 태양전지의 종류에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
둘. 실리콘 태양전지의 종류, ‘결정’과 ‘다결정’은 무엇일까?
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▲ 실리콘 단결정 태양전지(왼쪽)와 실리콘 다결정 태양전지(오른쪽) (출처: solar followers)
실리콘 계열의 태양 전지는 결정성에 따라 ‘단결정 태양전지’와 ‘다결정 태양전지’로 종류가 나누어집니다. 여기에서 결정성은 ‘물질의 입자가 규칙을 갖고 배열하고 있는 형태를 나타내는 기준’인데요. 우리 눈에 보이는 모든 고체는 결정을 갖고 있는데, 이는 보이지 않는 수많은 원자들이 모여 있는 형태이죠. 이러한 결정의 방향이 고체 전체에 균일한 방향으로 배열 되어 있는 경우를 ‘단결정’이라 하고, 전체적으로 다양한 방향으로 배열되어 있는 것을 ‘다결정’이라 합니다.
실리콘 태양전지에서 결정성의 차이는 태양 에너지를 받아 전기 에너지로 변환 할 때 효율성을 결정 짓습니다. 단결정의 경우 효율은 높지만, 가격이 높다는 특징이 있고, 다결정의 경우 효율은 떨어지지만 가격이 저렴한 특징을 가지게 됩니다. 같은 실리콘이어도 균일한 규칙과 방향의 단결정을 만들기 어렵기 때문에 이러한 특징이 생긴다고 합니다.
똑같은 실리콘 중에서도 눈에 보이지 않는 원자의 규칙 때문에 특성이 변한다는 사실! 놀랍지 않으신가요? 하지만, 태양전지를 통해 전기 에너지를 얻는 원리를 보면 반도체 구성 원자와 효율성에 대해 이해하기 쉬울 수 있답니다. 지금부터는 태양전지에서 전기 에너지를 얻는 원리에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
태양전지를 통한 전기 에너지를 얻는 원리는 무엇일까?
앞서 태양광 에너지의 원리와 가장 중요한 구성 중 하나인 실리콘 태양전지의 기본에 대해 알아봤는데요. 그럼 이러한 태양전지가 실제로 어떻게 전기 에너지를 만드는지에 대해 살펴보도록 할까요?
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▲ 실리콘 단결정 태양전지(왼쪽)와 실리콘 다결정 태양전지(오른쪽) (출처: solar followers)
실리콘 태양전지의 내부 가운데에는 N형 반도체와 P형 반도체가 자리잡고 있습니다. 조금 더 살펴보면, N형 반도체에는 전자가 많은 것을 볼 수 있고, P형 반도체는 정공이 많다는 것을 알 수 있는데요. 반도체에서는 전자와 정공이 움직여야 에너지가 발생된다는 사실! 하지만, 태양 빛이 비추기 전까지는 전자와 정공이 움직이지 않고, 전기 에너지 또한 발생하지 않는답니다.
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▲ 태양 전지에 태양광 에너지를 비춰줬을 때의 내부모습 (출처: 한국에너지공단 신재생에너지센터 홈페이지)
위 그림은 태양 빛이 실리콘 태양전지를 비추게 되었을 때의 모습이랍니다. 태양광으로부터 에너지가 들어오면, P층과 N층의 접합부분에서 생긴 전자와 정공이 움직일 수 있는 상태가 됩니다. 즉 전기 에너지가 생길 수 있는 조건이 되었다는 것인데요. 하지만, P층과 N층에 있는 전자와 정공이 완벽히 분리되며 움직여야 전기 에너지가 생기게 되죠. 때문에 P층과 N층을 +(플러스)와 –(마이너스)로 분류하는 과정이 필요하게 됩니다.
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▲ 이동이 가능한 전자와 정공을 외부 회로로 빼어주는 모습 (출처 : warwick)
이제 태양전지의 전기 에너지 생성 원리의 마지막 단계입니다. 전자와 정공이 움직일 수있는 상태에서 완벽한 분리를 위해 P층과 N층을 붙이는 과정을 추가 하면 되는데요.
위의 그림을 보면 보라색 부분이 N층이고, P층은 파란색을 나타냅니다. P층과 N층을 붙이게 되면 접합 부분에서 N층에는 플러스, P층에서는 마이너스 성질이 생기게 되죠. 이때 파란색에 있던 전자는 보라색으로 넘어가게 되고 보라색에 있던 정공은 파란색으로 규칙성 있게 넘어갑니다. 이러한 과정을 거쳐 N층에는 움직일 수 있는 전자만 모이고, P층에는 정공만 모이게 되는데요. 이를 회로에 연결하면 전기에너지로 바뀌는 것이랍니다.
이렇듯 실리콘 태양전지에서 변환된 직류 전기 에너지는 전류의 양이 매우 적습니다. 때문에 모듈을 통해 규모를 늘리고, 시스템에 보낼 전기의 양을 조절해야 합니다. 이를 시스템에서 교류 형태의 에너지로 바꿔 실생활에서 사용할 수 있는 전기 에너지가 되는 것이죠. 이제 태양광 에너지가 전기로 바뀌는 과정. 이제 쉽게 이해 되셨나요?
태양광은 앞으로 인류에게 닥칠 환경오염과 에너지 고갈 문제를 해결할 수 있는 중요한 천연 에너지 자원입니다. 하지만, 태양광이 유용한 전기 에너지가 되기 위해서는 반도체의 역할도 중요하다는 점! 이젠 아시겠죠? 이러한 흐름을 타고 태양광 에너지 산업에서 반도체 기술 또한 지속적으로 발전하고 있는데요. 앞으로 무한한 태양 에너지를 더욱 유용하게 활용할 수 있는 첨단 반도체 기술이 지속적으로 등장하길 기대해봅니다.
