태양 빛은 어떻게 전기가 되는 걸까?

빛 에너지로 만든 +ㆍ-, 경사로 따라 움직이며 전류 생성 

한국에너지기술연구원 제공

태양은 지구로부터 1억5,000만㎞(1 AU )나 떨어져 있다. 빛이 오가는데 걸리는 시간만 16분40초. 이 엄청난 거리를 태양은 어렵지 않게 빛을 지구까지 뿜어낸다. 수소원자 4개로 헬륨원자 1개를 만들어내는, 핵융합 반응에 의해 엄청난 에너지를 방출해내기 때문에 가능한 일이다.  

최근 태양 빛을 이용하는 태양광이 신재생 에너지로 주목 받고 있다. 태양이 뿜어내는 무한한 자원인 빛, 그걸 전기로 바꾸는 원리는 무엇일까. 

태양광은 어떤 조건에 따라 전기가 통하거나 통하지 않는 반도체로 구성된 태양전지로 만들어진다. 빛 에너지에 의해 반도체 소자 내부에서 전자(-)와 정공(+)이 쌍을 만들면서부터 그 움직임이 시작된다. 

여기서는 태양전지 내부의 전기적 성질이 각기 다른 P형 반도체와 N형 반도체의 접합이 중요한 역할을 한다.  PN 접합이 없다면 소자에서 발생한 전자(-)와 정공(+)은 여기저기 자유롭게 움직이다가 소멸할 수밖에 없다. 하지만  PN 접합에 의해 이들의 움직임은 일정한 방향성, 전위차에 의한 움직임을 띠게 된다. P형 반도체에서 N형 반도체 쪽으로 전자가 이동하게 되는 것이며, 반대로 전자가 이동하고 난 후 발생하는 정공은 N형 반도체에서 P형 반도체 방향으로 이동하는 것이다. 전기의 흐름, 전류가 시작되는 것이다.  

한화큐셀 R&D센터 이용화 연구원은 이 같은 복잡한 원리를 “태양전지 반도체 내의  PN 접합은 일종의 경사로와 같은 역할을 한다고 보면 이해하기 쉽다”며 “전자가 공이라면 경사로를 따라 P에서 N으로 흐르고, 그 빈 공간을 따라 정공이 생기니 반대 방향으로 이동하는 것과 같은 원리다. 이에 따라 태양빛 에너지를 받아  PN 접합으로 생성된 전류가 방향성을 띠게 되고 이 것이 바로 빛을 통해 전기가 생성되는 것“이라고 설명했다. 

태양광 발전에 의해 정공(+)은 전지 밑으로 간 후에 연결된 전선을 따라 이동한다. 전자(-)도 태양전지 표면으로 간 후에 연결된 전선을 따라 이동한다. 이후 인버터( inverter )를 거쳐 직류를 교류로 전환한다. 이 같은 전선이 전구의 위아래로 연결됐다고 가정해보자. 불이 켜지는 순간, 전기가 만들어져 다시 빛을 만드는 것이다. 건전지와 마찬가지인 에너지저장장치( ESS )로 이동하면 양극(+)과 음극(-)을 갖춰 축적된다.  

그렇다면 태양광 발전의 핵심부품인 태양전지는 어떤 성분일까. 반도체 소자로 이뤄져 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행하는 게 태양전지인데, 가장 광범위하게 쓰이는 것은 90% 이상의 시장점유율을 가진 결정질 실리콘 재질이다.  

실리콘 원소는 최외각 전자수가 4개에 이른다. P형 반도체는 최외각 전자수가 3개인 붕소(B), N형 반도체는 최외각 전자수가 5개인 인(P)과 결합한다. 이 같은 차이로  PN 접합을 형성하고, 앞서 설명한 기울기의 생성으로 인한 공의 이동과 같은 현상을 통해 전자(-)와 정공(+)이 방향성을 갖고 이동하게 된다. 

태양광 발전효율은 보통 20% 내외로 알려져 있다. 여름철 맑은 날씨 조건에서 1㎡ 면적당 1㎾의 태양에너지가 지표면에 내리쬐는 것을 기준으로 하는데, 1 GW 를 발전하기 위해서는 10~13㎢의 면적이 필요하다는 얘기다. 30 GW 를 발전하려면 300~400㎢의 면적이 필요해 발전에 간척지, 폐염전 등 넓은 빈 땅이 필요하다. 전기공급만을 따진다면, 2017년 기준 전 세계 전기시장의 1.9%에 그치는 이유기도 하다. 하지만 환경문제와 탈 원전, 재료비와 공전단가 하락 등에 따라 이 같은 낮은 효율에도 불구하고 태양광에 대한 관심은 점점 확대되는 추세다. 

태양광 발전이 극복해야 할 기술과제는 무엇일까. 윤재호 한국에너지기술연구원 신ㆍ재생에너지연구소장은 “광전 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 △가급적 많은 빛이 반도체 내부에서 흡수되도록 하고 △빛에 의해 생성된 전자와 정공 쌍이 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 하며 △ PN 접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재ㆍ공정을 설계해야 한다”며 “저가 고기능성화를 구현하기 위해 미래시장을 두고 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있는 다양한 신개념 태양전지 기술 개발이 시도되고 있다”고 말했다.  

이와 관련해 최근에는 실리콘 대신 박막(기계 가공으로 만들 수 없는 두께 1/1,000㎜ 이하의 막)이 신소재로 각광을 받고 있다. 실리콘 재질보다 가격은 높고 발전효율은 비슷하지만 활용도가 훨씬 높기 때문이다.  

때문에 이와 관련한 기술개발이 세계시장에서 태양광 발전의 경쟁력 우위를 가를 것이라는 전망이다. 이용화 연구원은 “박막 태양전지는 건물 외장에 구부려서 설치가 가능할 뿐 아니라, 창호ㆍ텐트ㆍ옷ㆍ핸드폰 겉면 등에도 다양하게 활용이 가능하다”며 “타입에 따라  PN 접합층도 실리콘보다 더 많이 만들 수 있기 때문에 발전효율을 높일 수 있는 등의 장점이 많다”고 말했다. 

윤재호 소장 역시 “박막 태양전지는 저렴한 생산단가와 넓은 응용분야를 가지고 있어 실리콘 태양전지를 이을 차세대 기술로 주목 받고 있다”며 “가벼운 무게와 유연한 특징은 건물 외장재 등 다양한 제품군에 적용이 유리할 것으로 전망된다. 실리콘 태양전지의 경우 효율이 낮고 가격 경쟁력이 부족한 약점이 개선되지 않아 점차 시장에서 지위가 약화되고 있다”고 설명했다. 

태양광발전은 2017년 기준으로 국내 신재생에너지(매출 약 9조5,000억원) 가운데 64%(6조4,000억원)를 차지하고 있다. 수출액도 전체 4조3,000억원 가운데 3조6,000억원을 기록해 신재생에너지원 가운데 압도적인 비중을 차지하고 있다. 최근에는 간척지나 폐염전 등을 활용한 기존 대규모 태양광 단지 외에도 지붕 부착형을 벗어난 지붕ㆍ건물 일체형 제품도 나오고 있다. 미국 테슬라사가 디자인해 뉴욕주 버팔로 공장에서 생산을 시작한 ‘솔라 루푸( Solar   Roof )’가 그와 같은 예다. 고속도로 주차장에도 태양광 설치가 늘고 있으며, 저수지나 댐을 이용한 영농형 수상 태양광 개발과 보급도 이뤄지고 있다. 

윤 소장은 “무한정하고 청정한 에너지를 전기로 변환하는 특성이 있는 태양광 발전은 석유자원의 고갈 문제가 대두되면서 에너지 문제를 극복할 최선의 대안으로 인식돼왔다”며 “최근 일시적인 수요공급 불일치에 따른 경기위축에도 관련 산업은 지속적으로 발전할 것으로 예측된다. 또 재생에너지 3020 이행계획으로 대표되는 에너지 전환 정책에서도 핵심 역할을 수행해, 장차 국내의 기후변화 대응 및 에너지 자립에도 기여할 전망”이라고 밝혔다. 

김청환 기자  chk @ hankookilbo.com 

한화큐셀이 캐나다 온타리오주 수세인트마리에 2011년 지은 태양광 발전소. 한화큐셀 제공

한화큐셀이 독일 브란덴부르크에 2012년에 건설한 태양광 발전소. 한화큐셀 제공