우리 학교는 태양광에너지 산업 분야에 많은 관심을 쏟고 있다. 본지 1556호에 소개된 ‘태양광산업 글로벌 리더 양성 고급트랙’을 운영하고, 지난 7월엔 ‘제4회 성균국제솔라포럼’을 열기도 했다. 특히 성균국제솔라포럼에선 전 세계에서 태양전지 분야에 저명한 교수들이 참여했다. 최근 우리 학교뿐만 아니라 전 세계에서 주목하고 있는 태양광 에너지 산업의 핵심 요소인 태양전지에 대해 알아보자.
얇은 판 속 숨겨진 원리
태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 사용해 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치다. 이때 사용되는 원리가 바로 빛의 입자성을 이용한 아인슈타인의 광전효과다. 광전효과란 금속 표면에 한계진동수보다 큰 빛을 비췄을 때, 금속 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 태양전지가 빛을 받으면 P형과 N형의 접합 면에서 전자가 튀어나와 자유전자가 된다. 이 자유전자(-)는 N형 반도체의 전면전극 쪽으로 이동하고, 전자가 있었던 곳은 정공(+)이 된다. 그럼 이 빈자리를 정공 주위에 있던 전자가 이동해 채우게 된다. 이러한 활동이 반복되면 N형 반도체엔 전자가 쌓이게 되고, P형 반도체에는 정공(+)이 쌓이게 되면서 기전력*이 발생한다. 이 상황에서 전구나 모터와 같은 부하를 연결하면, N형 반도체에 있던 자유전자들이 회로를 따라 P형 반도체 쪽으로 이동하면서 전기가 흐르게 된다. 이러한 단계를 반복하면서 발생한 전류를 모아 전기에너지로 이용한다.
태양전지의 발전사를 살펴보다
태양에너지로 전기를 만든다는 생각은 오래전부터 있었다. 1839년 프랑스 물리학자인 에드몬드 베크렐이 전해질 용액에 담근 은(Ag) 전극에 빛을 비추자 적은 양의 전류가 발생하는 것에서 ‘광 기전 효과’를 최초로 발견했다. 약 30년 후 독일의 물리학자 헤르츠는 셀레늄과 같은 금속에도 빛을 비춰 전류를 발생시켰다. 아인슈타인이 이러한 발견들을 수식으로 증명하면서 태양전지에 대한 연구가 활발히 이뤄지기 시작했다. 마침내 현대에 이르러 태양전지는 반도체 소재에 따라 크게 3종류로 나뉘었다.
1세대 태양전지는 1954년 미국 벨연구소에서 결정질 실리콘을 이용하면서 처음 만들어졌다. 이때 에너지 효율은 약 4%에 불과했지만, 4년 후 미국 NASA에서 발사한 인공위성 뱅가드 1호에 사용됐다. 시간이 흘러 반도체 제조 기술이 발달하면서 태양전지의 효율 또한 20%로 증가했다. 고효율이라는 장점으로 1세대 태양전지는 현재 태양전지 시장의 90%를 차지하고 있다. 하지만 정밀 반도체 공정과 같은 방식으로 만들어지기 때문에 과정이 복잡하고 비용이 매우 비싸다.
그 후 생산 단가를 낮추려는 노력의 결과로 2세대 태양전지가 등장했다. 박막형 태양전지라고 불리는 2세대 태양전지는 △금속 △유리 △플라스틱 같은 저렴한 물질을 기판으로 사용하고, 그 위에 매우 얇은 두께의 막으로 만든 광 흡수 층 물질을 입혔다. 이 전지는 값비싼 장비가 필요 없고, 대량생산이 가능해 1세대 태양전지의 절반도 안 되는 가격으로 만들어진다. 하지만 1세대보단 효율이 낮은 단점을 갖고 있다. △현대 △LG △SK 대기업들은 1세대 태양전지에 비해 시장이 작아 사업성 확보에 어려움을 겪으며 연구를 포기하고 있다.
최근 실리콘이나 박막 자체의 순도를 높여 효율을 높이는 1·2세대와 달리 다양한 화합물을 이용한 3세대 태양전지가 개발돼 연구가 진행 중이다. 염료감응형 태양전지와 페로브스카이트 태양전지가 대표적이다. 염료감응형 태양전지는 1991년 우리 학교 마이클 그라첼 교수가 처음 개발해, 7.1%의 광전변환효율로 네이처지에 등재됐다. 이 전지는 식물의 엽록소가 햇빛을 받아 광합성을 하는 원리를 응용한 기술이다. 이 전지는 크게 △상대 전극 △작동 전극 △전해질로 구성돼 있다. 작동 전극은 전자를 높은 에너지 상태로 만드는 염료와 이 전자를 쉽게 받아들이는 산화물 반도체로 이뤄진다. 외부의 빛이 염료에 닿으면서 생긴 전자가 산화물 반도체로 전달된다. 이 전자가 전해질을 타고 흘러 상대 전극에 도달해 전기가 생긴다.
페로브스카이트 태양전지는 유기 혹은 무기 재료를 이용해 만든 페로브스카이트형 물질을 이용한다. 이 전지는 2009년 일본 토인요코하마대학교 미야사카 추토무 교수가 처음 만들었다. 염료가 전해질에 녹아내린다는 문제가 있었지만, 이 연구는 소재로서의 가능성을 확인한 획기적인 연구였다. 이후 전 세계 연구원들이 활발히 연구를 진행하고 있다.
3세대 태양전지는 앞으로 20% 정도의 효율을 가질 예정이며 저가의 제조설비 및 공정기술 덕분에 발전단가를 1/3~1/5수준으로 낮출 수 있다. 아직 시장 규모가 작고, 1·2세대 태양전지와 비교해 효율이 낮지만 많은 연구가 진행되고 있다.
태양전지의 성능을 높이려면
최근엔 새로운 반도체 소재를 찾는 연구뿐만 아니라 효율을 증가시키려는 노력도 진행되고 있다. 현재 가장 많이 쓰이고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 반사도를 줄이기 위해 웨이퍼 세정과 표면 조직화를 거쳐 제조된다. 웨이퍼 세정은 전지 표면에 불순물을 씻어내, 손실되는 빛의 양을 줄인다. 또한 표면 조직화 과정은 광 흡수율을 높이기 위해 전지의 표면에 피라미드 구조형상을 만들거나, 다공성 요철을 두어 입사한 빛이 반사돼 손실되지 않도록 하는 구조를 만드는 과정이다. 이외에도 물질간의 굴절률 차이를 이용해 더 많은 태양광이 입사할 수 있도록 하는 반사방지막을 코팅하는 방법 등 다양한 방법이 있다.
*기전력=두 단자에 전위차를 일정하게 유지시키는 능력