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태양전지 기술, 낱낱이 파헤쳐보자!

2015년 4월 24일

이소연(22, 응용화학 전공)LG화학에 대해 많이 배우고 널리 알리는 win-win전략으로 성실하게 활동하겠습니다. 항상 이해하기 쉽고 재미있는 이야기로 여러분들을 찾아 뵐게요!화석연료는 점점 줄고 있고, 앞으로 우리가 개발해야 하는 것은 무공해 천연자원이라고 생각해요. 그 중 가장 주목받고 있는 것이 태양이죠. 오늘은 태양을 이용한 사업 중 하나인 ‘태양전지’에 대해서 알아보겠습니다.


1. 태양전지의 원리
태양전지는 아인슈타인의 광전효과를 이용한 대표적 사례입니다.
광전효과란 금속에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 현상으로 지식백과에선 정의 내리고 있어요.
초등학교 때 갖고 놀던 ‘해적 룰렛’ 보드게임 알고 기억나시나요?
칼을 빛이라고 생각하고 해적이 전자라고 생각하면 쉬워요!
칼을 꽂았을 때 해적이 퉁! 하고 튕겨 나가죠?
이처럼 원자에 빛을 쪼이면 원자 안에 있던 전자가 퉁! 하고 튕겨 나가게 됩니다.
전자가 튀어 나감으로써 한쪽은 양극(+,P형 반도체), 다른 한쪽은 음극(-,N형 반도체)이 되어 전위차로 전류가 만들어지는 것입니다!

아인슈타인의 광전효과

2. 태양전지, 넌 어디까지 왔니??

1) 1세대 결정질 실리콘 태양전지
실리콘(Si, 규소), 성형수술에만 이용된다고 생각하면 오산! 실리콘은 전기를 전달하는 능력이 뛰어나기 때문에 태양전지 재료로 많이 사용되고 있어요.
하지만 태양전지가, 특히 실리콘 태양전지가 상용화 되지 못한 이유는 뭘까요?
바로 태양전지에 필요한 실리콘은 99.9999%의 순도를 사용해야 하는 고도의 기술이 필요하기 때문입니다. 자연계의 실리콘 매장량은 28%이며 이산화규소 형태로 존재하여 다른  불순물과 섞여 있습니다. 즉, 순수하게 실리콘만 떼어 낸다는 것은 유치원에 가기 싫어 떼쓰는 아기를 엄마로부터 떼어내는 것 만큼 어려운 일이죠!

이산화규소 구조

이산화규소 구조 ⓒ 출처 wikimedia

결정질 실리콘 태양전지에는 단결정과 다결정 질이 있습니다. 단결정 실리콘은 태양전지 역사 중 가장 오래 연구 된 제품입니다. 순수 실리콘을 하나의 큰 결정으로 만들어서 효율은 높지만(20% 이상), 가격이 비싸 대량생산의 문제가 있습니다. 반면 다결정 실리콘은 여러 개의 실리콘 결정으로 기판(웨이퍼)을 만들기 때문에 단결정실리콘보다 생산단가가 저렴하지만, 일심동체가 아니어서 효율은 낮습니다(15~17%).

2) 2세대 박막형 태양전지

물을 뿌리는 분무기

박막형 태양전지! 이름으로써는 짐작할 수 없는 비주얼이죠?
이렇게 생각하면 쉬워요! 분무기로 물을 뿌리면 물 분자들이 바닥에 살포시 앉는 것을 본 적이 있을 거예요. 이처럼 박막형 태양전지는 실리콘이나, 그 외에 반도체적 특성을 갖는 화합물을 유리나 금속판과 같은 저렴한 기판(웨이퍼) 위에 살포시 얹어 만든 것입니다. 실리콘 사용량이 적기 때문에 저렴하지만 그만큼 에너지 변환 효율이 떨어지죠. 하지만 결정 실리콘 태양전지의 두께는 200~300㎛(10-6m)인데 비해 박막형 실리콘 태양전지의 두께는 0.3~2㎛로서 상당히 얇게 제작할 수 있죠. 참고로 머리카락 한 가닥의 두께는 100㎛입니다.

3) 3세대 염료감응 태양전지

기존의 방법에서 벗어나서 산화타이타늄(TiO2)에 색소를 입힌 태양전지입니다. 산화타이타늄(TiO2)이란 반도체 중 하나로써 전자가 이동하는 통로를 제공합니다. 빛이 색소분자를 때렸을 때 색소분자의 전자가 산화타이타늄으로 전이되어 전류가 흐르게 됩니다. 색소분자의 색에 따라 다양한 색을 낼 수 있는 특징을 갖고 있죠.산화타이타늄(TiO2)에 색소를 입힌 태양전지

3. 태양전지의 미래
1) 태양전지 기왓장

겹쳐져 놓인 기왓장
기왓장에 태양전지 기술을 적용하면 크게 세 가지 장점이 있게 됩니다. 첫째, 태양전지를 지붕에 설치하기 위해 필요한 토지가 사라지게 됩니다. 둘째, 태양전지와 기왓장이 하나가 되어 태양 전지 받침대가 필요 없습니다. 그리고 마지막으로 기왓장과 일체화된 태양전지를 설치한 장소에는 종래의 기왓장조차 필요 없게 됩니다. 이로써 가격 면에서도 큰 경쟁력을 갖게 되죠.

2) 태양전지 유리창

한 남자가 창 밖의 건물들을 보고 있다.기왓장뿐일까요? 아닙니다. 태양전지를 유리창에 접목하면 더 큰 시너지 효과를 내죠. 정석적인 태양전지는 우리가 봐 왔던 대로 투명할 수가 없습니다. 그러나 비결정 박막 실리콘 태양전지의 경우 두께가 얇다는 특징을 설명해 드렸습니다. 여기에 구멍을 만들면 자연광이 구멍에서 새어 나와 반대쪽이 투명해 보이는 특징을 갖기에 미래에 충분히 활용 가능한 기술입니다.

3) 태양전지 타일

벽면에 붙여진 다양한 타일들타일에 태양전지 기술과 발광다이오드 기술을 결합한다면, 낮에는 태양에너지를 비축했다가 밤에 불을 밝히는 도시디자인까지 가능합니다.

이외에도 태양전지는 다방면으로 개발 중입니다. 태양전지의 무궁무진함! 하루빨리 발전되었으면 하길 바라면서 이번 콘텐츠를 마무리 짓겠습니다. 소중한 자원을 아껴 씁시다! 뿅!

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