재생 에너지에는 많은 종류들이 있다.

 

우리에게 가장 익숙한것은 태양광, 풍력, 수력이 있고 대중들은 잘 알지못하는 소수력, 파력, 태양열등도 존재한다.

 

이번에는 태양광에 대해 알아보고자 한다.

 

우리가 태양에서 나오는 에너지를 유용하게 사용하는 방법은 태양'광'과 태양'열'발전이 있다. 여기서는 다루지 않을 태양열 발전은 말 그대로 태양의 복사열을 집중시켜 물을 끓여 과열증기를 만든 뒤 그걸로 터빈을 돌려 발전하는 방식이다.

 

그렇다면 태양광 발전은 무엇일까?

 

보통 우리가 알고있는 태양광 셀은 아래와 같은 구조로 되어있다.

 

이 태양광 셀은 가장 간단한 p-n접합 구조로 이루어져 있다. 일정 에너지 이상의 에너지를 지니는 광자가 p-n접합 반도체에 충돌하면 접합부위에 형성되어있는 공핍영역에서 양공과 전자가 생성되게되는데 여기에서 생성된 전자를 외부 부하를 통과시키며 일을 수행하는 것이 바로 태양광 발전의 기본이라고 볼 수 있다.

 

눈썰미가 좋은 사람이라면 p-n접합인데 base쪽이 emitter에 비해 굉장히 두꺼운 것을 볼 수 있다. 이는 공핍영역이 최대한 커져야하면서 동시에 공핍영역에 도달하는 광자가 많아야 하기에 한쪽을 얇게 해 놓은 것이다. 참고로 얇은 쪽은 n형 반도체 이다.

 

그렇다면 모든 태양광셀은 어떤 빛이건 다 전기로 바꿀 수 있을까?

 

안타깝게도 그렇지 않다.

 

태양광 셀의 구조는 굉장히 다양하고 사용된 반도체가 어떤 것들이냐에 따라서 흡수할 수 있는 태양광은 천차만별이다.

 

태양의 표면에서 방출된 광자가 지니는 에너지는 다음과 같다.

참고로 이 에너지는 굉장히 작은 에너지이므로 주로 [ J ] 로 표시하지 않고 [ eV ]로 표시한다.

*1eV=1.6*10^-19 J

h는 플랑크 상수(6.62*10^-27J*s)이고 C_o는 진공에서의 빛의 속도(약3*10⁸m/s) 마지막으로 람다는 빛의 파장길이(보통 nm)다.

 

이 에너지가 태양광 셀의 밴드갭 에너지보다 높다면 광자는 흡수되고 공핍영역에서 양공-전자쌍이 튀어나온다. 그렇다면 만약 광자가 가진 에너지가 밴드갭 에너지보다 높다면 어떻게 될까?

 

양자역학의 세계는 내가 잘 알지못하기에 배운걸 작성해보자면 더 많은 에너지를 가지고 있다고 해도 여러개의 양공-전자쌍이 만들어 지는게 아니라 하나의 양공-전자쌍이 만들어지고 나머지는 열로 사라진다고 한다.(필자도 이게 왜 이런지는 잘 모른다. 나는 양자역학 전공은 아니니까 ㅋㅋ)

 

또한 위의 식에서 볼 수 있는 것처럼 광자의 에너지는 파장에 반비례하기때문에 각각의 태양광 셀에서는 흡수할 수 있는 최대파장이 정해져있다. 이보다 더 큰 파장을 가지는 광자는 태양광셀에 흡수되지 않고 그대로 투과해버린다. 이를 최대흡수파장이라고 한다.

 

 

 

이제는 태양전지의 효율에 대해서 간단히 알아보자.

 

모든 발전기들의 효율은 굉장히 간단한 수식으로 알 수 있다. 나온에너지/들어간 에너지*100%이다.

 

굉장히 간단하지않은가?

 

당연하지만 모든 발전기들은 100%효율을 달성하지 못한다. 들어간 에너지보다 많은 에너지가 나올수는 없고 변환과정에서 "반드시!"손실이 발생하기 때문이다.

 

그렇다면 태양광셀의 효율은 어떨까?

 

먼저 이야기하자면 우리가 가장 많이 쓰고있는 밴드갭 에너지 1.1eV의 실리콘 태양광 셀의 최대 효율은 약 33.7%이다.

 

위 수치는 S-Q Limit이라고도 하는데 이는 이론적 최대효율로 1961년 Shockley와 Queissers라는 과학자들이 도출해 낸 값이다.

 

만약 현재 어떤 사람이 실리콘 태양광 전지 혹은 태양광 셀의 효율이 33.7%를 넘길 수 있다고 자신한다면 반드시 사기꾼이니 속지 않길바란다.

 

 

S-Q한계는 단순 실리콘 태양광 셀의 효율이기에 사실 이 효율을 넘는 태양광 셀은 존재한다. 앞서 이야기 한 것처럼 특정 반도체의 밴드갭 에너지를 넘지 못하는 광자는 그대로 투과된다.

 

그런 광자들까지 모두 에너지로 전환하기 위해 과학자들은 중첩태양전지라는 것을 만들어내었다.

 

가장 위쪽에는 밴드갭에너지가 높은 반도체들을 설치하고 아래로 내려갈수록 점점 밴드갭 에너지가 낮은 것들을 설치하는 것이다. 이로써 발전에 쓰이지 못하고 낭비되던 저에너지 광자들까지 발전에 쓰이기때문에 단위 면적당 투입되는 에너지의 47.6%까지 전기 전환하는것에 성공하기도 하였다.
( https://m.thescienceplus.com/news/newsview.php?ncode=1065593124840617 )

 

안타깝게도 위의 사례는 아직 랩을 벗어나지 못한 실험단계이며 상용화된 것들도 단순 실리콘 태양전지에 비해 단가가 매우 높아 가성비를 이유로 시장에서 성공적인 결과를 거두지는 못했다.

 

 

 

다음은 풍력발전에 대해서 간략하게 다뤄볼 예정이다.