태양광 에너지 어떻게 만들어지나

화석연료 고갈과 이산화탄소 증가로 인한 기온 상승이 양날의 칼처럼 지구를 위협하면서 태양광 발전에 대한 세계각국의 기술개발 및 활용 경쟁이 뜨겁다. 하늘로부터 쏟아지는 무한에너지인 태양광을 어떻게 잘 쓰느냐가 향후 100년의 국가 운명을 좌우할 것이란 관측까지 나오고 있다. 태양광 발전은 태양으로부터 지표면까지 전달되는 빛에너지를 일정의 전환 장치를 통해 전기에너지로 바꾸는 방식을 쓰고 있다. 태양전지는 반도체 물질로 이뤄져 있어 태양빛이 전지 내에 흡수되면 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍(e-h pair)이 생성된다. 이때 생성된 ‘전자(e)-정공(h) 쌍’은 전지내 pn접합에서 전기장에 의해 전자는 n형 반도체로 이동하고 전공은 p형 반도체로 움직여 각각의 표면에 있는 전극으로 모인다. 전극에서 수집된 전하(charge)는 외부 회로에 부하가 연결된 경우, 부하에 흐르는 전류로서 부하를 동작시키는 전기에너지의 성격을 띠게 되는 것이다.

빛에너지에서 전기에너지로의 전환이 일어나는 전지는 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지로 나눠진다. 현재 전세계 태양전지의 90% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지는 실리콘 덩어리(잉곳)를 얇은 기판으로 절단해 쓰게된다. 다시 실리콘 잉곳의 제조 방법에 따라 단결정과 다결정으로 구분된다. 결정질 실리콘 전지가 실리콘 원판을 사용하는 것과 달리 박막 태양전지는 얇은 유리나 플라스틱 기판에 막을 입히는 방식으로 막의 종류에 따라 비정질 실리콘 전지, 구리-인듐-셀레늄(CIS) 전지, 카드뮴-텔루륨(CdTe) 전지, 염료감응 태양전지 등으로 분류된다. 박막 태양전지 제조 공정이 LCD와 유사하기 때문에 한국이 얼마나 빨리 이 분야 기술주도권을 쥐느냐 또한 주목받고 있다. 태양전지 1개는0.6V 전압과 3A 이상의 전류를 만들어낸다. 많은 양의 전압과 전류를 한꺼번에 얻어 발전 형태를 갖추기 위해서는 여러 개의 태양전지를 서로 연결하고, 외부환경으로부터도 전지를 보호해야 한다. 이를 위해 만들어지는 것이 전지를 충진재, 유리 등과 함께 압축한 모듈이다. 발전용도에 따라 여러개의 모듈을 연결해 만든 것이 태양전지 어레이다. 어레이에서 만들어진 전력에 최대 출력을 유지하기 위해선 MPPT(Maximum Power Point Tracker) 회로 및 축전지가 쓰인다. 어레이에서 발생한 직류전기는 교류로 전환해주는 인버터를 거치면 실생활과 산업용으로 널리 쓰는 교류전기가 최종적으로 얻어지게 된다. 태양열전지 설치 방식에 따라 또 추적식과 고정식 두가지가 쓰이고 있다. 추적식은 일종의 추적 센서를 달아 태양빛을 쫓아가며 모을 수 있고, 고정식은 일단 설치되면 특정 방향에서만 발전이 가능한 형태다. 추적식은 비용이 비싼 반면 발전 효율이 놓고, 고정식은 효율은 상대적으로 낮지만 안정성은 뛰어난 특성을 갖고 있다. 이진호기자@전자신문, jholee@etnews.co.kr