광전효과를 이용한 태양전지 원리와 태양광 시장의 미래

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친환경 에너지에 빠질 수 없는 것이 바로 "태양광 발전"입니다. 우리나라 신재생 에너지 발전량 중 가장 큰 비중을 차지하기도 합니다. 태양광 발전 원리의 기본은 광전효과에서 시작합니다. 광전효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지의 원리와 종류에 대해 알아보겠습니다.

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1. 태양빛으로 발생하는 광전효과

우리가 매일 보게 되는 태양이 쏘는 빛은 "광자"라는 입자를 가지고 있습니다. 이러한 광자 입자가 특정 금속에 쏘여질 때 금속이 가진 전자가 광자에 의해 밖으로 방출되는 현상이 일어나는데요. 이를 "광자효과"라고 합니다.

이때 떨어져 나가는 전자를 "광전자"라고 하지요. 이게 포인트입니다. 전자가 떨어져 나가는 것. 전자가 떨어져 나가서 우리가 원하는 방향으로 흐르게 한다면? "전류"가 됩니다. 우리가 전기를 얻는 원리인 것이죠.

2. 태양전지의 원리

이런 광자효과로 전기를 만들어내는 것이 태양전지(Solar Cell)입니다. 태양광전지 혹은 햇빛전지라고도 불리는데요.

업계에서는 이런 이름보다 "태양광발전전지(Photovoltic Cell)"이라는 용어를 더 많이 사용하기도 합니다.

그럼 태양전지가 빛을 받아 전류를 만드는 원리를 간단하게 알아보겠습니다.

✅ #1. p형 반도체와 n형 반도체 두 개의 반도체가 있습니다. 이 두 개의 반도체를 접합시킵니다. "p-n접합"이라고 하죠. 양쪽에 전극판을 두고, 가운데에 p-n접합 반도체를 둡니다.

p형 반도체는 전자를 끌어당기는 성질을 지녔고, n형 반도체는 전자를 밀어내는 성질을 지녔습니다만, p-n접합 반도체에서는 아무 일도 일어나지 않습니다. 전자의 이동도 없고, 당연히 전류의 발생도 없습니다.

✅ #2. 이제 이 p-n접합으로 이루어진 태양전지에 태양빛을 쏴줍니다. 태양의 빛에너지가 태양전지에 닿게 되면 원자핵에 구속되어 있던 전자가 튀어나오면서 더 이상 얽매이지 않는 "자유전자"가 되어 이동을 하기 시작합니다.

✅ #3. p-n접합을 기준으로 p층에는 음전하가 모이게 됩니다. p층과 n층이 각각 양극과 음극의 성격을 게 되면서 전류가 흐를 수 있는 환경이 만들어집니다.

✅ #4. 여기에 회로를 연결해 줍니다. 그러면 전자들이 회로를 통해 이동하게 됩니다. "전류"가 흐르면서 "전기 에너지"를 얻을 수 있게 됩니다.

3. 태양전지의 종류

태양전지 종류는 우리가 생각했던 것보다 많습니다. 태양전지의 종류는 n형과 p형 반도체를 "무엇으로 만들었냐"에 따라 달라진다고 보시면 됩니다. 크게 실리콘을 사용하는 "실리콘 태양전지"와 화합물을 사용하는 "화합물 태양전지" 두 가지로 분류합니다.

현재 사용하고 있는 태양전지의 대부분은 "실리콘 태양전지"라고 보시면 됩니다. 실리콘 계열의 전기적 성질이 다른 물질의 반도체보다 효율이 좋기 때문입니다.

그런데 이 실리콘 태양전지 안에서도 또 종류가 나뉩니다. "결정"과 "다결정"인데요. 여기서 말하는 결정이란 "물질의 입자가 규칙을 가지고 배열하고 있는 형태"라고 보시면 됩니다.

"단결정"은 실리콘의 결정이 한 방향으로 고르게 배열되어 있는 것이고, "다결정"은 결정의 방향이 여러 개가 있는 것이죠. 이런 결정의 차이가 "순도의 차이"를 만들고 순도의 차이는 "효율의 차이"를 만든다고 보시면 됩니다.

당연히 결정이 한 방향으로 고르게 배열되어 있는 "단결정"이 순도가 높고 효율이 좋습니다. 대신 가격이 비싸겠죠?

따라서 수요가 크지 않은 시장에서 상품의 효율을 높이기 위해서는 단결정보다는 "다결정이 유리"했습니다. 그런데 최근에 세계적으로 친환경 규제가 거세지고 태양광 발전이 중요해지면서 효율을 중시하게 되었고 "단결정"의 수요가 커지고 있습니다.

4. 태양전지의 효율

태양전지의 최대 효율은 이론적으로 30%가 넘지 않습니다. 시중에 판매되고 있는 태양전지는 18~20% 정도의 효율을 갖고 있습니다. 그래서 많은 전기에너지를 만들기 어렵습니다.

그래서 가급적 많은 태양전지를 모아서 사용해야 합니다. 우리가 쉽게 볼 수 있고 흔히 "패널"이라고 부르는 태양 판들은 많은 태양전지가 모여서 만들어진 형태입니다.

정리해 보면, 태양전지("셀"이라고 부릅니다.)가 모여서 모듈(패널)이 되고 그 모듈을 모아서 어레이가 됩니다.

여담으로 "패널"과 "모듈"을 구분하는 것이 조금 논란이 있습니다. 어떤 사람들은 모듈이 곧 패널이다라고 하고, 또 어떤 사람들은 모듈이 모여 패널이 된다고 합니다. 사실 크게 차이는 없습니다.

5. 태양광 발전의 현재와 미래

태양광발전은 낮은 효율에도 불구하고 2050 탄소중립을 위한 핵심 요소입니다. 우리나라 신재생에너지 발전량 중에서 가장 큰 비중을 가지고 있습니다. (물론 화석 에너지에 비할바는 아닙니다)

1) 우리나라 태양광 발전의 현재

에너지발전구분	전력생산량	비중
원자력	14.60 TWh	31.9%
석탄	13.55 TWh	29.5%
가스	12.15 TWh	26.5%
바이오	0.98 TWh	2.14%
기타 화석연료	0.30 TWh	0.65%
태양광	3.29 TWh	7.17%
수력	0.24 TWh	0.52%
풍력	0.24 TWh	0.52%
기타 재생에너지	0.51 TWh	1.11%

위의 표는 2022년 5월 한국 에너지원별 전력생산량과 비중의 통계입니다.

태양광은 효율은 낮지만, 신재생 에너지 속에서는 가장 큰 비중을 차지합니다. 문재인 정부 때에도 어마어마하게 지었죠. 비단 우리나라뿐만이 아니라 세계적으로 가장 주목받고 있는 신재생 에너지입니다.

우선 만드는 게 어렵지 않고, 설치도 쉽습니다. 환경적인 제한도 높은 편이 아닙니다. 넓은 땅과 "해"만 있으면 되기 때문이죠. 풀어야 할 숙제는 바로 "효율"입니다. 이 효율만 높게 하면 2050 탄소중립의 주인공이 될 수 있는 것이죠.

실제로 요새 "탠덤 태양전지"라는 것이 등장하면서 효율이 50%를 넘을 수 있다는 말이 나오고 있습니다. 탠덤 태양전지는 현존하는 태양전지 중 효율이 가장 높은데요. 실제로 지난 2022년 독일 프라운호퍼 ISE연구팀이 개발한 태양전지는 47.6%의 효율이 나온다고 합니다.

다만 이것을 상용화를 하는 것이 언제일지는 모르죠. 앞으로도 계속 세계적으로 많은 국가와 기관에서 태양전지에 대한 연구개발에 힘을 쏟을 텐데요. 하루빨리 효율 좋은 태양전지가 개발되어 원유에 흔들리지 않는 한국이 되면 좋겠네요.

2) 태양광 시장의 미래

아래의 그래프는 국제에너지기구인 IEA(International Energy Agency)가 예측한 2050년까지의 태양광 수요에 대한 전망입니다.

기후악화가 심해지고 있는 요즘 글로벌 탄소중립 달성을 위해 세계적으로 "태양광 발전"에 힘을 싣는 모습이죠. 석탄발전의 빈 자리는 태양광이 모두 대체할 것이라는 예측이 지배적이고, 풍력이나 수력보다는 태양광 발전의 높은 증가세가 예상된다는 것이 업계의 중론입니다.

이 와중에 또 중국기업들이 선점하고 있는 모습입니다. 전기차, 리튬이온전지 등의 차세대 산업에 중국이 심혈을 기울이고 있고 성적도 좋은 요즘, 태양광도 중국기업의 독점이 심화되고 있습니다.

우리나라 태양광 시장은 전세계 8위에 이르는 규모라고 하는데요. 앞으로도 꾸준한 기술개발과 민간의 참여로 미래의 확정적 먹거리가 되었으면 좋겠습니다.

번외로 태양광 발전의 가장 큰 특징은 "해"가 있어야 발전이 가능하다는 것입니다. 그래서 에너지를 저장하는 산업이 함께 발전해야 합니다. 그래야 밤에도 쓰고 필요할 때에도 쓰고, 판매도 하고 그럴 수 있을 테니까요.

이 에너지 저장장치 산업이 바로 ESS 산업입니다. 궁금하신 분들은 아래 포스팅을 참고하시기 바랍니다.

ESS란? 에너지 저장 장치 사업의 이해와 시장 전망

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오늘은 이렇게 친환경 에너지의 대표 격인 태양광 발전의 기본, 태양전지에 대해 알아보았습니다. 부족한 부분도 많고 내용이 불충분한 부분도 많겠지만, 가급적 잘 모르시는 분들을 위해 최대한 쉽게 작성해 보았습니다.

부족한 글 읽어주셔서 감사드리며, 오늘도 행복한 하루 보내시기 바랍니다!

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