◆태양(Solar)전지 원리

태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치입니다.

★빛에너지는 어떻게 전자의 흐름으로 바뀌게 될까요?

이 원리에 대한 설명으로 들어가기 전에 먼저 기억해야 할 것은 전기의 흐름, 즉 전류는 결국 전자의흐름이라는 사실입니다.
따라서 전기에너지를 생산하는 것은 전자의 흐름을 유도시킨다는 의미가 됩니다.
태양전지에 빛을 쪼였을 때 전기가 발생하는 반응은 두가지의 현상이 연속적으로 일어나는 것으로 설명 될 수 있습니다.

첫째는 전자 (자유전자) 가 발생되는 현상입니다.
둘째는 이렇게 생겨난 자유전자를 외부 회로로 내보내어 전기를 유도하는 과정입니다.
고체 내부에는 전자가 많이 존재합니다.
전자는 원자핵에 결합되어 있는 것('묶인전자')과 고체 내부를자유롭게 돌아다닐 수 있는 것('자유전자')으로 구분됩니다.
이 중에서 자유전자가 전기의 흐름을 담당하게 됩니다.
반도체는 대체로 전기를 잘 통하지 않는 물질입니다.
즉 자유전자를 많이 갖고 있지 않다는 뜻이됩니다.
반도체에 빛을 비추면 '묶인전자'가 빛 에너지를 받아서 자유전자 상태로 됩니다.
빛 에너지는 원자핵에 '묶여' 있던 전자가 결합을 끊고 자유롭게 되도록 (=자유전자가 되도록) 힘을보태주는 셈이 됩니다.
그런데 이것 만으로는 전기를 얻을 수 없습니다.

★자유전자들은 반도체를 빠져나와 어떻게 외부회로에 도달하게 될까요?

자유전자가 외부회로에 도달하게 하기 위해서 필요한 것이 반도체 p-n접합입니다.
이것은 말 그대로 'p-형 반도체' 와 'n-형 반도체'를 붙여서 만듭니다. 이렇게 되면 접합 부분에 전기장이 생깁니다.
이것은 다른 말로 하면 접합 부분에 +극과 -극을 띤부분이 생긴다는 뜻이 됩니다.
이러한 극성 때문에 자유전자는 n-형 쪽으로 (그림의 왼쪽으로) 끌리게 됩니다.
일단 자유전자가 n-형 쪽으로 끌려 넘어가면 다시 p-형 쪽으로 넘어올 수없습니다.

★지금까지의 설명을 정리하면 이렇습니다.

빛을 반도체에 쪼이면 자유전자가 생겨나고 이 자유전자들은 n-형 쪽으로 끌려 넘어가게 됩니다.
이러면 n-형 쪽에 자유전자가 계속 쌓이게 되겠지요.
이 때 만약 반도체에 전기선이 연결되어 있다면 전자는 전기선을 통해 외부로 빠져나가려고 할 것입니다.
따라서 전기선을 따라 잔자가 흐르게 되고, 우리는 전기를 얻게 되는 것입니다.

★태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까요?

모든 에너지 변환 장치에 효율을 따지듯이 태양전지도 전기에너지를 얼마나 많이 생산하느냐를 나타내는수치로서 효율을 표시합니다. 아래에 표시된 수식을 사용합니다.

효율 (%) = (생산된 전력양) / (태양 빛 에너지) x 100

당연히 효율이 높은 태양전지를 만드는 것이겠지요.
그러나 과연 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까를 따지려면 아무래도 경제적인 측면,그러니까 태양전지를 제작하는데 얼마가 들어가느냐 하는 점도 생각해야합니다.
아무리 효율이 높은 태양전지라도 제작비가 너무 높으면 실용성이 없는 것이고 반대로 효율이 비교적낮더라도 제작비가 저렴하면 경제성이 있는 겁니다.
아직은 어느 한가지가 경제성 면에서 확실히 우월하다는 점이 입증되지 않았기 때문에 현재 여러 가지물질과 형태의 태양전지가 연구되고 있습니다.

★태양전지의 종류와 특징

☆태양광발전 시스템의 구성

태양전지에서 생산되는 전기는 직류(DC)전기입니다.
이러한 직류전기가 그대로 사용되는 경우도 있겠으나 우리가 보통 쓰는 전기는 교류(AC)이기 때문에 DC를 AC로 바꾸는 인버터가 필요합니다.
그리고 태양전지는 주로 낮에 전기를 만들어 내지만 사람들이 전기를 쓰는 시간이 이와 다를 수 있으므로 전기를 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있도록 축전지(Battery)가 필요합니다.
또 장마철이나 태풍등의 영향으로 비교적 장기간 태양전지가 작동할 수 없는 경우를 대비하여 보조발전기(주로 화력발전기)도 있어야 합니다.
대표적인 전력계통도를 표시하면 아래의 그림과 같습니다.
그림에 표시된 전력조절장치는 태양전지가 주어진 조건에서 최대의 전력을 낼 수 있도록 하는 장치입니다.

☆태양전지의 종류와 특징
-다결정질
(polycrystalline)
원자가 규칙적으로 배열되어 있으나 배열 방향이 서로 다른 여러 부분으로 구성되어 있는 물질비교적 순도가 낮음
비용이 적게 드는 생산방법 사용가능 효율이 낮으며 불균일하다.
중간효율(19%)
중저가

-비정질
(amorphous)
분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 경우
대면적 전지를 균일하고 저렴하게 제작 가능
유연성있는 기판 위에 제작 가능
효율이 낮고 시간에 따라 더욱 낮아지는 현상을 보인다.
낮은효율(12%)
저가

☆얇은 막 형태로 제작되는 박막형 태양전지 (thin-film solar cells)

박막형 태양전지는 효율을 낮으나 표면이 불규칙한 곳이나 장치하기 어려운 곳에 수비게
사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
또한 장판지 처럼 둘둘 말아서 운반하거나 보관할 수도 있습니다.
보통 마이크론 (μm) 정도 두께의 물질을 1 mm 정도 두께의 유리 등에 코팅하여 제작합니다.
단결정 GaAs 의 경우에는 단결정 Ge 위에 코팅(Coating)합니다.