태양전지의 전력 발생과정 : 태양전지공학 개론

 

 

 

 

 

맥스웰은 이미 150년도 전에 ‘빛은 전자기파의 일종’이라고 주장했다. 그의 이론은 전자기학을 비롯한 모든 전기ㆍ전자ㆍ통신 분야에 적용되어 현대생활을 발전시키는데 유용하게 쓰이고 있다. 그의 천재성을 높이 사긴 하지만 파동성만 고려한 그의 이론으로는 태양전지의 전력 발생과정을 설명하기 어렵다. 태양전지의 전력발생 과정을 정확히 이해하기 위해서는 먼저 태양전지의 구조를 이해해야하고, 둘째로 빛의 어떤 성질이 전자를 발생시키는지를 이해해야 한다.

 

맥스웰(James Clerk Maxwell 1831.6.13~1879.11.5)

 

빛은 파동성과 입자성의 두 가지 성질을 가지고 있다. 파동성으로는 전자기파를, 입자성으로는 광자를 설명한다. 태양전지에서 발생하는 전력의 원천은 기판으로 입사되는 빛에너지이며 빛의 스펙트럼 즉 파장의 범위에 따라 자유전자가 발생한다. 태양전지는 빛의 파동성은 물론 입자성도 고려해서 이해해야 한다. 기판에 반사되거나 투과하지 않고 안정적으로 입사하는  빛은 파장의 범위로 설명하지만, 전지 기판에 입사하는 빛 에너지는 광자가 지닌 에너지로 설명된다. 광자는 진동을 가진 입자로 플랑크상수와 진동수(주파수)의 곱에 비례하는 에너지를 가진다. [E=hv(E=에너지, h=플랑크상수, v=진동수)] 광자가 지닌 에너지는 기판에서 자유전자를 발생시키는 에너지로 작용한다.

 

[E=hv(E=에너지, h=플랑크상수, v=진동수)]

 

광자는 기판으로 입사하여 전자와 정공을 만든다. 직감할 수 있듯 이 전자와 정공이 태양전지가 만들어내는 전력의 원천이다. 전자와 정공 쌍을 캐리어라고 하는데, 전자와 정공이 바로 전류의 흐름을 만들기 때문이다. 이 캐리어들은 금방 원래의 성질대로 돌아가려는 성질을 가지고 있어서 원래의 에너지상태로 돌아가기 전에 재빨리 캐치해 내야 전지 효율을 높일 수 있다. 이 개념을 이해하기 위해서는 반도체의 원리를 이해해야 한다.

 

 

반도체는 4가 원소인 실리콘에 몇 가의 원소를 도핑했느냐에 따라 n형 반도체와 p형 반도체로 나뉜다. 5가 원소를 도핑하면 전자가 하나 남게 되어 negative 성질을 가진 n형 반도체가 되지만, 이는 주변에 쉽게 전자를 주려는 성질이 있기 때문에 전자를 넘기고 양이온화 된다. 3가 원소를 도핑하면 정공이 하나 남게 되어 positive 성질을 가진 p형 반도체가 되는데 이는 주변에서 쉽게 전자를 얻으려는 성질이 있어 전자를 얻고 음이온화가 된다.

 

 

이 때문에 n형과 p형을 접합시키면 n형의 남는 전자는 p형의 빈 정공 쪽으로 이동하고 n형은 양이온화, p형은 음이온화 되는 공간전하층이 형성된다. 이 공간전하층이 반도체 내부에서 전계를 형성한다.

 

 

태양전지의 기판재료는 대개 p형이다. 이는 에너지준위(페르미레벨)가 낮은 p형에서 발생한 전자가 공간전하층까지 확산한 뒤 내부전위차에 의해 n형으로 이동해가는 정도가 높기 때문이다. 여기서 아까 말한 캐리어의 발생원리를 설명할 수 있다. 광자가 전달한 에너지가 페르미레벨을 뛰어넘으면 전자가 밸런스 밴드(충만대)에서 컨덕션 밴드(전도대)로 뛰어 전자와 정공 쌍 즉 소수 캐리어를 만들지만, 이들은 금방 원래의 에너지 레벨로 돌아가려 하기 때문에 이를 빨리 수집해 내는 것이 관건이다.

 

캐리어의 수집은 n형과 p형의 접합으로 형성된 내부 전계가 담당한다. 이 공간전하층까지 전자가 이동하면 전계에 의해 휩쓸려 신속하게 n형 에미터로 이동하고, 여기에 일정간격으로 배치된 금속전극에 수집되고 여기에 부하를 연결하면 전류가 생성된다.

 

 

캐리어의 수집만으로는 전력이 발생하지 않는다. 전력은 전류뿐만 아니라 전압도 발생되어야 하기 때문이다. 태양전지 내에서는 광기전력효과에 의해 전압이 발생되는데, 이는 p-n접합에 빛을 조사시킬 때 전자-정공 쌍이 생성되고 분리되면 n형 에미터 쪽에는 전자가 과다하게 많고 다른 p형 베이스 쪽에는 홀이 많이 모이게 됨으로써 접합 양단에 두 전극을 서로 띄어 전위차가 발생하는 현상이다. 태양전지의 출력전압 극성은 전지 내부에 형성된 전위차의 반대측성이다. 이것이 태양전지가 전력을 발생시키는 기초 원리이다.

 

태양전지는 비록 효율성은 엄청나게 낮은데다 생산비용도 많이 들고 설치하기도 어려운 단점이 있지만, 그에 못지않게 장점도 많다. 일단 원래 사용하지 않았던 에너지를 사용하므로 낮은 효율이라도 사용하면 사용할수록 재생 에너지 활용률이 높아진다는 점, 화력이나 원자력에 비해 공해원인이 되는 물질을 전혀 생산하지 않는다는 점 등이 무시할 수 없는 최장점이다. 향후 전세계적인 에너지활용추이로 볼 때, 그리고 우리나라의 반도체 제조 인프라를 고려할 때, 태양전지를 기반으로 한 우리나라 신재생 에너지 산업은 시장 경쟁력을 확보할 수 있는 원동력이 될 것이다.