- 1954년 미국서 처음으로 상용화
- 태양전지 통해 햇빛서 전기 생산
- 1세대 결정형·2세대 박막형 진화
- 최근 페로브스카이트 연구 활발

현재 우리가 많이 사용하고 있는 화석연료의 매장량은 유한하고 원자력 에너지에 대한 안전성 논란은 더욱 커지고 있다. 미래에너지에 대한 관심이 갈수록 높아져 가고 있는 가운데 무한하고 청정한 햇빛을 활용한 태양광 발전에 대한 연구가 급물살을 타고 있다. 태양광 발전은 태양전지를 이용해 태양빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식이다.
■태양광발전의 역사·특징

태양광발전은 1839년 프랑스 물리학자 에드몬드 베크렐이 광전효과를 발견하면서 시작됐다. 여기서 광전효과란 금속 등의 물질에 빛을 비추면 전자가 튀어나오는 현상이다. 태양광 발전을 구성하는 태양전지가 태양빛을 받아 전자를 방출시키므로 광전효과 이론이 필요하다. 이후 1954년 미국에서 처음으로 실리콘 태양전지가 발명돼 본격적으로 상용화가 시작됐다.

우선 태양광 발전은 태양빛을 이용하기 때문에 공해가 없다. 화력발전처럼 연소하는 과정이 없어 냉각수도 불필요하다. 태양광 발전은 무인 자동화가 가능하기 때문에 유지관리가 용이하다. 필요한 장소에 필요량만 발전 가능하며 수명도 길다. 물론 단점도 있다. 먼저 태양빛을 이용하는 특성상 야간이나 우천 시에는 발전 불가능하며 일사량에 의존한다. 발전단가가 높은 편이며 설치장소가 제한적이다.

■태양전지 원리·종류

	박막 태양전지

태양광 발전은 태양전지가 주축이 되어 이루어진다. 여기서 태양전지(solar cell)란 태양광선의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다.

태양전지 중 가장 대표적인 것이 '실리콘 태양전지'이다. 실리콘 태양전지는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시킨 형태이다. 이 태양전지에 빛을 비추면 태양 에너지가 가지고 있던 에너지로부터 반도체의 원자에서 정공과 전자가 생기게 된다. 정공이란 글자 그대로 구멍인데, 전자가 빠져나가 생긴 구멍을 말한다. 이때 전자-정공이 PN 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 N형 반도체로 이동하고, 정공은 P형 반도체로 이동한다. 전자가 N형 반도체로 가면 전자가 있던 자리에는 빈곳(정공)이 생기게 된다. 그러면 P형 반도체 쪽에서 전자가 하나 이동해 그 빈곳을 채운다. 이렇게 계속 이동하고, 채우는 일이 반복되면 정공은 P형 반도체 쪽으로 이동하게 된다. 이때 전자가 이동함으로써 전위차가 생기고 그로 인해 전류가 흐르게 된다.

태양전지는 크게 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 나눠진다. 전자는 다시 결정질 실리콘 태양전지와 박막 태양전지로 나뉜다. 1세대 태양전지는 결정형 태양전지이다. 결정질 실리콘 태양전지는 기판의 종류에 따라 단결정과 다결정으로 나뉘는데 단결정의 효율이 높지만 가격이 높아 다결정이 선호되는 편이다. 이 태양전지는 현재 시장의 대부분을 차지하고 있다.

그 뒤를 잇는 2세대 태양전지가 바로 박막 태양전지이다. 박막형 태양전지는 실리콘과 비싼 반도체 물질 대신 값싼 유리기판 위에 값싼 유기염료를 흡착한 나노입자를 사용하는 형태이다. 박막은 두께가 아주 얇은 막을 말한다. 이 태양전지에서는 염료원자에서 전자가 나와 전류를 발생시킨다. 예를 들어 염료 감응형 태양전지(DSSC-Dye-Sensitized Solar Cell)에서는 염료원자에서 전자가 빠지면 그 빈자리를 전해질에서 보충한다. 그러면 전해질은 전자가 빠졌으므로 산화가 되고 다시 반대쪽 전극에 도달한 전자를 받아 환원된다.

최근에는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지인 '페로브스카이트'가 개발돼 많은 연구가 이뤄지고 있다. 부산대 화학교육학과 진성호 교수는 "페로브스카이브는 실리콘계도, 박막형도 아닌 제3의 태양전지로 가장 최근인 3, 4년전 개발됐다"며 "높은 효율로 차세대 태양전지 중 가장 각광받고 있다"고 말했다.

조민희 기자 core@kookje.co.kr