'취미가 뭐예요?'란 질문, 살면서 많이 받으시죠? 최근 예능 프로그램 <나 혼자 산다>에서는 이 질문에 대해 다양한 대답이 쏟아졌습니다. 바이크 타기, 배드민턴 자전거 등등으로요. 그 중 가장 인상 깊었던 대답은 바로 김태원의 '누워서 자기(혹은 쉬기)'! 좋아하는 TV 프로그램을 보면서 뒹굴거리다 잠드는 거 저도 좋아하거든요^^ 그런데 이렇게 편하게 취미를 즐기기 위해서 꼭 필요한 것이 있으니, 그것은 바로 전기입니다. TV나 컴퓨터뿐만 아니라 세탁기, 전기밥솥, 냉장고 등 각종 가전기기를 작동하려면 전기가 필요하지요.
▲위 이미지는 인용의 목적으로 사용되었습니다[출처-MBC '우리 결혼했어요']
전기의 역할은 이뿐만이 아닙니다. 기계를 이용해 더 효율적인 생산이 가능하게 하는 등 산업부분에서도 큰 역할을 담당하고 있죠. 그런데 이렇게 중요한 전기가 최근 점점 부족해지고 있습니다. 날이 갈수록 전기가 필요한 곳이 늘어나지만 생산되는 양은 정해져 있거든요. 화력발전소나 원자력 발전소와 같은 대형 발전소를 건설하려면 넓은 땅이 필요한데다 환경문제도 꽤나 걸립니다. 이렇게 부족한 전기, 해결할 방법은 없을까요?
한 가지 해결방안이 바로 태양전지를 이용하는 것입니다. 차세대 에너지원인 태양에너지를 이용해서 전기를 생산해내는 태양전지는 환경에 무해하고 일반 가정집에서도 발전을 할 수 있어서 아주 좋은 해결방안이 될 수 있습니다. 게다가 태양전지를 이용해 발전을 할 경우 사용되는 양에 비해서 생산되는 전기가 많아서 오히려 전기를 되팔기도 한답니다. 이렇게 큰 도움을 줄 수 있다는 점 때문에 많은 관심을 받고 있는 태양전지인데요. 혹시 그 안이 어떻게 되어 있는지, 어떤 원리로 작동되는지 궁금하지 않으세요?
태양전지에 대해서 찾아보면 그 종류가 정말 다양합니다. 실리콘을 이용해 만들어지는 실리콘 태양전지, 실리콘 외에 다른물질을 이용해서 만들어지는 화합물 반도체 태양전지, 빛을 흡수 할 수 있는 염료를 이용한 염료 태양전지, 고분자의 물질을 이용해서 만드는 고분자 태양전지 등 정말 많은 종류들이 있습니다. 그렇지만 이들이 빛을 이용해서 전기를 생산하는 과정은 유사합니다.
전기가 만들어지기 위해서는 전자가 이동을 해야 합니다. 그런데 전자를 움직이게 하기 위해서는 에너지가 필요로 합니다. 예를 들어서 화력발전이나 원자력발전에 경우 연료를 이용해 얻은 열을 이용해 물을 끓이고 이 수증기가 다시 터빈을 회전시키는데, 이 과정에서 모터를 움직이는 에너지가 전자를 움직이게 해서 전기가 발생되게 됩니다.
태양전지도 이러한 과정을 거쳐서 전기를 발생시키게 됩니다. 태양전지 내부에는 빛을 흡수하여서 전자를 만드는 물질이 있는데요. 이런 물질이 빛을 흡수하게 되면 빛에 들어 있는 에너지를 이용하여서 전자를 만들고 이 전자를 움직이게 합니다. 이렇게 움직이게 된 전자는 태양전지 외부로 연결된 도선을 따라 흘러 전기를 만들게 되는 원리입니다.
그런데 원리는 단순하지만 좋은 효율을 가지는 태양전지를 만드는 것은 생각보다 간단하지가 않습니다. 빛을 흡수하여서 전자를 내놓는 효율이 대부분 물질마다 다르고 좋은 효율을 가지는 물질을 찾기가 쉽지가 않기 때문입니다. 게다가 태양빛은 자외선, 가시광선, 적외선등 정말 많은 종류의 빛이 모두 섞여있는데, 빛을 흡수 하는 물질이 이러한 태양빛 중 아주 일부만 흡수 할 수 있어서 효율이 떨어진다는 문제가 있습니다. 그래서 최근에는 태양빛 중에서 많은 부분을 흡수 할 수 있고 전자를 만드는 효율이 좋은 태양전지를 개발하는 데에 많은 연구가 되고 있습니다.
그렇다면 태양전지는 어떻게 이루어져 있을까요? 태양전지의 구조는 종류마다 약간의 차이가 있지만 유사한 부분이 많이 있습니다. 기본적으로 전자를 외부로 흐르게 해주는 두 개의 전극과 태양에서 오는 빛을 흡수 할 수 있는 부분 그리고 반사되는 빛이 적게 해주어서 효율을 높이는 반사방지막이 있습니다.
무기물을 이용한 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지의 경우 빛을 흡수 하는 부분에 반도체를 이용합니다. 실리콘 태양전지는 실리콘으로 만들어진 반도체를 이용하고 화합물 반도체 태양전지는 실리콘 외에 다른 물질을 이용해서 반도체를 만들게 되는데, 이들이 전자를 만들어 내놓고 외부도선을 따라 돈 전자를 다시 전극을 통해서 받는 과정을 거쳐서 전기를 발생하게 됩니다.
반면에 염료를 이용하는 염료 태양전지 경우는 조금 다릅니다. 빛을 흡수하는 물질로는 염료를 이용하고 있지만 무기물을 이용한 태양전지와 달리 전극에서 빛을 흡수하는 물질로 직접 전자를 전달할 수 가 없어서 이러한 전자를 전달할 수 있는 물질을 따로 사용하고 있습니다. 염료 태양전지에서 사용하는 전극의 경우 태양전지 위쪽에 있는 것을 상부전극이라 하고 아래쪽에 위치한 것을 하부전극이라 부르고 있습니다. 상부전극에 경우 전극이기 때문에 전기가 잘 통해야 한다는 점도 있지만 한 가지 중요한 것은 태양광을 잘 통과 시킬 수 있도록 투명해야 하는데, 그래서 유리처럼 투명하지만 유리와는 다르게 전기가 잘 통하는 물질인 ITO라고 부르는 물질은 이 전극으로 많이 사용하고 있습니다.
지금까지 태양전지의 원리와 구조에 대해서 알아보았습니다. 그렇다면 태양전지는 과연 어디에 사용될 수 있을까요? 태양전지는 기본적으로 발전시설로 많이 사용될 수 있는데, 지금 우리가 이용하는 화력발전소나 원자력 발전소처럼 대규모로 지어서 전기를 생산하는 것이 가능합니다. 그런데 이렇게 지을 경우 많은 땅이 필요하다는 점이 문제입니다.
그렇지만 앞서 이야기한 것처럼 대규모로 짓지 않고 가정이나 건물에 소형 발전시설로도 이용이 가능합니다. 이러한 태양전지는 지금도 많이 이용되고 있는데, 건물의 옥상에 태양전지를 설치하여서 전기를 사용하는 것이 가능합니다. 또 연구되고 있는 것이 얇은 태양전지를 건물의 유리창이나 벽면에 부착하여서 발전하는 방식입니다. 이렇게 태양전지를 설치할 경우 따로 공간이 필요하지 않아 공간절약에 큰 도움이 됩니다.
또 건물뿐만 아니라 자동차나 비행기와 같은 운송수단에도 태양전지를 이용하는 것이 많이 연구되고 있습니다. 태양전지를 이용해서 작동하는 솔라카는 아직은 그 효율이 좋지 않아서 사용화되지 않고 있지만 많은 관심을 받고 있지요. 그래서 매년 솔라카를 연구하는 전 세계인들이 모여서 서로의 솔라카를 이용해 먼 거리를 달리는 솔라카 대회를 열어서 서로 정보를 공유하고 발전하기 노력하고 있습니다. 그리고 태양빛을 이용해 움직이는 비행기도 제작되었는데, 아직은 실험적인 단계이지만 비행에 성공했다는 점에서 앞으로 큰 기대가 되는 분야입니다.
그렇지만 가장 많이 이용되는 분야는 아마도 우주기술 분야가 아닐까 합니다. 우주에서는 대규모 발전시설을 지을 수도 없고 지구에서 에너지를 공급받을 수 없기 때문에 태양광을 이용해서 자체 발전을 하고 있습니다. 그런데 이러한 발전의 한 가지 문제는 먼 거리에 있는 목성이나 토성을 여행하는 우주선의 경우, 태양빛이 충분히 도달하지 못하기 때문에 태양전지를 이용하여 발전을 할 수가 없고 계속해서 태양전지를 태양 쪽으로 향하도록 해야 한다는 문제가 있습니다. 그래서 태양빛이 도달할 수 있는 거리에 있는 인공위성과 같은 우주시설물에만 태양전지를 사용하는 발전을 이용하고 있습니다.
지금까지 태양전지에 대해서 알아보았습니다. 약간은 딱딱하고 어려운 내용이라서 기억하기가 어려우시죠? 그래도 태양전지는 환경에도 도움이 되고 부족한 전기에너지를 보충해줄 수 있는 차세대 미래에너지라는 것은 꼭 기억해주세요~!
- 참고문헌 –
한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr
한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/
유기 태양전지 연구 동향 및 실용화 전략, 이정용 외 2명
차세대 태양전지, 김희제, 박종규
차세대 고효율 태양전지 기술 동향, 한원석 외 3명
박막형 태양전지 기술 및 산업 동향, 김제하 외 4명
* 이 컨텐츠는 한화케미칼 공식블로그 Chemical Dream '태양전지 그 속이 궁금해~!' 에서 가져왔습니다.
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