태양전지

태양전지(太,陽,電,池)는 태양의 빛 에너지를 이용해서 전기를 만들아내는 장치를 말한다. 반도체 물질과 광기전효과를 이용한 것으로 반도체의 '밴드갭(Eg)'보다 같거나 큰 에너지를 가진 빛이 물질에 조사될 경우 전자가 높은 에너지준위로 들떠 외부회로에서 일을 하는 구조다. 실제 현상은 이렇지만 전자가 빠져나가고 남은 부분을 설명할 때 수많은 전자를 동시에 계산하려면 어림도 없으므로 전자가 빠져나간 빈 부분을 양전하로 취급하는 양공의 개념을 도입해 전자-양공[1]쌍(electron-hole pair), 혹은 엑시톤(Exciton)[2]이 발생하고 p-n 접합구조가 기본적으로 가진 내부 전기장에 의해 분리되어 외부회로로 흘러가 일을 하게 만드는 것이라고 설명하는게 보통. LED는 거꾸로 소자에 전기를 흘려 빛을 생성하는 것으로, LED와 태양전지는 동작방향이 정반대다. 대부분의 발전방식과는 달리 직류를 만들어내는 게 기본이다. 광기전효과(光起電效果, photovoltaic effect)는 광전효과(光電效果, photoelectric effect)와는 유사하나 다른 현상이다. 광전효과는 빛의 입자설에 대한 증거로 물질에 그것의 일함수 이상의 에너지를 가진 전자기파가 조사될 경우 외부(주로 진공)로 전자를 방출하는 효과를 의미하며 광기전효과는 빛에 의해 들뜬 전자정공이 기전력(起電力)을 가져 전류 뿐만 아니라 전압, 즉 일을 할 수 있는 상태가 되는 것을 말한다. 에너지원이 사실상 무한한 태양광이라는 메리트와 친환경발전이라는 점에 의해 재생에너지로 각광 받고 있으나 낮은 효율과 상대적으로 높은 생산단가, 월등히 높은 부지 면적 요구도, 그리고 태양광이 가장 강렬하게 내려쬐는 적도나 고온 지방이 아닌 이상 충분한 전력량을 확보하는게 힘든 태양광의 불연속성[3]에 의해 단점도 많아 많은 연구가 필요한 에너지원이다. 여기서도 메이드 인 차이나의 위엄은 여전해서 중국이 본격적으로 참여하자 가격이 급격히 떨어졌으며, 연구가 아닌 단순 제조는 중국으로 넘어가는 추세다. 이걸 다루는 자격증으로 신재생에너지발전설비기능사(태양광), 신재생에너지발전설비기사(태양광)가 있다. 2013년에 개설되어서 인지도가 바닥을 달린다(...). 우주에서 원자로 다음으로 가성비가 좋은 발전기이기도 하다. 물론 원자로를 우주에 올리는 건 비용 문제 뿐만 아니라 핵 미사일 발사나 다름없는 정치적 부담이 문제라, 우주 발전기 중 끝판왕.[4] 영어로는 Solar Cell 혹은 Photovoltaic cell(PV-cell, PVC)이라고 한다. 이쪽은 주로 재료공학 쪽 전공자나 경제 증권 뉴스 쪽이 사용한다.

 

단일접합 태양전지 기준의 이론효율한계는 약 30% 초반정도이며, 쇼클리-콰이저 한계 (Shockley-Queisser Limit) 또는 미소균형 한계 (Detailed Balance Limit)이라고 한다. 이는 다른 발전방식의 효율한계에 비해서는 낮은 편이다.

 

실리콘(규소)을 의미한다. 에너지 밴드 구조가 indirect이기 때문에 에너지의 일부가 원자핵의 진동(phonon)으로 새어나가 효율은 좋지 않으나 가장 널리 쓰인다. 이유는 싸고, 전자쪽에서 많이 쓰기 때문에 소자제조기술이 발전되어있으며 산화만 시키면 바로 절연체를 만들 수 있어 제어가 쉽고 다른 물질들보다 독성이 적은 동시에, 최대로 반응하는 빛의 에너지 대역이 indirect 물질중에서는 대기를 통과한 햇빛과 유사해 효율이 가장 좋기 때문.

 

 

단결정 태양전지의 실리콘은 indirect 밴드갭으로 광흡수율이 좋지 않아 두껍게 제작할 수 밖에 없고, 이 때문에 과거에는 제작단가가 높았다. 많은 연구자들은 direct 밴드갭을 가진 대체물질로 적은 광흡수층(>>낮은 생산단가)를 쓰고도 충분한 광전변환 효율을 보이는 소자를 제작하기 위해 노력하였으나, 아직 실리콘을 대체할만한 소자를 마땅치 않은 상태인데, 이는 반도체 산업에서의 공정 기술 발달로 실리콘 웨이퍼 생산가격을 극도로 떨어뜨릴 수 있었기 때문에 실리콘 태양전지가 많은 소재사용량에도 불구하고 가격경쟁력 측면에서 압도적인 장점을 갖고 있기 때문이다. 그러나 비-실리콘계 태양전지는 여러가지 응용가치가 있다. 첫째는 밴드갭 조절을 통한 다중접합 제작 및 고효율화가 가능하다는 점. 둘째는 심미성, Built-in[5] 을 고려한 반투과성 태양전지 제작이 가능하다는 점. 셋째는 유연기판(Flexible Substrate) 적용이 가능하다는 점. 등이 꼽힌다. 그러나 화합물에 따라서 낮은 효율 / 원료 수급문제 / 중금속 유출 / 낮은 안정성 등의 문제가 풀어야할 숙제로 남아있다.