태양전지

태양은 핵융합에 의해 에너지를 만들며 빛과 열의 형태로 지구를 위시한 태양계로 방출한다. 태양에너지는 무한정하며 깨끗한 에너지이지만 계절, 기후에 따라 이용할 수 있는 양이 변하는 점 등의 약점도 가지고 있다. 태양빛을 전기로 변환하여 사용하는 장치가 태양전지이다. 태양전지에는 반도체(semiconductor)가 사용되므로 먼저 반도체에 대하여 알아보기로 하자.

전자 또는 정공(홀, hole)이 이동하면 전기가 흐르게 되는데 이 때 분자. 원자 및 전자들에 의하여 방해를 받게 되며 이것을 전기저항이라고 한다. 물질에 따라 저항의 크기는 달라지며 전기저항의 역수인 전기 전도도의 크기에 의해 물질을 도체, 반도체 그리고 절연체로 구분한다. 전기전도도가 103에서 107S/m이면 도체이고 10-3에서 104S/m이면 반도체라고 한다. 전도도가 10-3S/m보다 작은 물질이 절연체이며 전기가 거의 흐르지 않는다. 도체에서는 전자가 각 분자나 원자에 구속되어 있지 않고 자유로이 움직일 수 있으며 금속이나 전도성 고분자들이 이에 속한다. 반면에 절연체에서는 모든 전자들이 분자에 구속되어 있다.

이들 현상이 띠이론 (band theory)으로 쉽게 설명될 수 있다. 띠이론을 간단히 설명하면 다음과 같다. 전자들은 두 개의 띠를 만들며 에너지가 낮은 것을 원자가 전자대, 높은 것을 전도대라고 한다. 원자가 전자대의 전자들은 분자에 구속되어 있으므로 전기를 통하지 못하며 전도대에 있는 전자들은 자유로이 이동할 수 있으므로 전기를 통할 수 있다. 도체의 경우에는 원자가 전자대와 전도대 사이의 에너지 차이가 0, 즉 이 두 띠가 서로 붙어있고 절연체에서는 이 두 띠 사이의 에너지 차이가 아주 커서 높은 온도에서도 전자가 원자가 전자대에서 전도대로 에너지를 얻어 이동할 수 없다. 반도체 역시 두 띠가 떨어져 있지만 에너지 차이가 비교적 작아 온도를 올리면 전자가 에너지를 얻어 원자가 전자대에서 전도대로 이동할 수 있어 전기가 흐르게 된다.

도체에서는 온도가 올라가면 전자의 열운동이 활발해져 전도도가 감소하지만 반도체에서는 위에서 설명한 이유로 인하여 온도가 높아질수록 전도도가 증가한다. 반도체는 원소 자체의 성질에 의한 진성반도체(intrinsic semiconductor)와 불순물이 조금 첨가된 (이것을 doping이라고 함) 외래 반도체(extrinsic semiconductor) 및 물질을 구성하고 있는 성분 원소의 비가 일정하지 않고 변할 수 있는 비양론적 반도체(nonstoichiometric semiconductor) 등으로 나누어진다.

주기율표에서 중간에 위치한 4족 원소들 중 가장 가벼운 원소인 탄소(절연체)와 가장 무거운 원소인 납(금속 즉 도체)을 제외한 세 원소, 규

소(Si), 저마늄(Ge), 주석(Sn)은 단체로 존재할 경우에 전자들이 하나의 원소에 구속되어 있지 않고 10개 내외의 원소들에 퍼져있어 작기는 하지만 무시할 수 없는 전도도를 가지므로 진성반도체로 분류된다. 화학적 성질에 있어서도 이 세 원소들은 비금속과 금속의 중간 성질을 가지고 있으므로 준금속이라고 불리고 있다. 진성반도체의 25℃에서 측정된 전도도는 다음과 같다.

진성반도체 전도도(S/m)

실리콘 0.002

저마늄 2

주석 100

외래 반도체는 실리콘이나 저마늄에 가전자가 하나 적은 갈륨, 인듐이나 가전자가 하나 많은 비소 또는 안티몬이 doping된 반도체이다. 갈륨, 인듐이 doping된 것을 p형 반도체, 비소, 안티몬이 doping된 것을 n형 반도체라고 한다. p형 반도체에서는 전자가 부족하므로 정공이 이동하며 n형 반도체에서는 여분의 전자가 이동한다. 외래 반도체는 온도가 상승하여도 전도도는 크게 변하지 않지만 어느 온도이상에서는 진성반도체가 되며 온도가 상승하면 전도도가 증가하기 시작한다.

1948년에 미국의 벨연구소에서 개발한 트랜지스터가 반도체를 처음으로 상용화한 제품이라고 한다. 그전까지의 라디오에서는 진공관을 사용하였는데 반도체가 등장하면서 라디오의 크기가 작아졌다. 그 뒤 반도체 기술은 눈부시게 달하여 지금은 컴퓨터의 메모리 칩, 캠코드와 디지털카메라의 촬영소자인 CCD)(charge-coupled device) 등에 이용되며 특히 최근에는 초LSI(large scale integrated circuit)라고 하는 초고밀도전기화로가 완성되었다. 초LSI를 이용하면 1cm2에 회로소자를 100만개 이상 넣는 것이 가능하다. 이것의 완성으로 라디오, TV의 소형화는 물론이고 트랜지스터를 사용한 거의 모든 전기회로를 소형화할 수 있게 되었다. 또한 컴퓨터, 계측분야 그리고 사회생활의 전 분야에 응용될 것이고 전자기기의 소형화, 고밀도화가 활발하게 진행될 것이다.

다시 태양전지로 돌아와서 논의를 계속하자. 반도체에 빛을 쪼여 주면 광전효과에 의하여 전자가 튀어 나가며 반도체에는 정공이 생긴다. 이런 작용에 의하여 생성된 전자와 정공이 전류를 흐르게 한다. 고체표면에 입사된 빛은 고체에 구속되어 있는 전자에게 에너지를 전달하며 이 에너지가 전자의 구속에너지(문턱에너지라고 함)보다 더 큰 경우에 전자가 탈출하게 한다. 문턱에너지는 고체의 종류에 따라 달라지며 문턱에너지보다 작은 에너지를 가진 빛은 전자를 튀어나가게 할 수 없다. 또한 빛의 에너지가 커지면 탈출하는 전자의 운동에너지는 증가하며 빛의 강도는 탈출하는 전자의 수를 결정한다.

이 현상은 아인슈타인에 의한 광량자설에 의해 잘 설명되며 이 연구로 아인슈타인이 1921년에 노벨물리학상을 받았다. 광전효과로 인하여 반도체는 전자가 풍부한 n형 반도체와 전자가 부족한 즉 정공이 생성되는 p형 반도체로 바뀌게 되며 이 두 개를 접합한 것이 태양전지이다. p형 반도체는 양극이 되고 n형 반도체는 음극이 되므로 두 전극을 연결하면 전기가 흐른다. 즉 도선으로 연결된 반도체에 태양빛을 쪼여주면 계속해서 전기가 발생한다. 반도체에 도달한 빛에 의해 +와 -의 전하가 생성되므로 전류가 만들어지며 이때 생성된 전기에너지를 이용하여 모터를 회전시키거나 전등에 불이 켜지게 하는 등의 일을 한다.

반도체에 태양빛을 쪼였을 때 전기로 바뀌는 비율을 변환효율이라고 하며 빛의 세기와는 거의 무관하지만 빛의 에너지가 강해지면 출력되어 나오는 전기에너지는 증가한다. 참고로 아래 표에 기후에 따른 태양빛의 세기를 표시했다.

표. 기후에 따른 태양빛의 강도

광도가 1칸델라(cd)인 점광원에서 빛이 방출될 때 1m 떨어져 있으며 빛과 수직이고 면적이 1m2인 면이 받는 조명도를 1럭스(lx)라고 하며 파장이 556nm인 단색광을 방출하는 점광원의 복사도가 임의의 방향으로 1/663 (와트/스테라디안)일 때 이 방향에 대한 광도를 1칸델라라고 한다.

태양전지의 재료로는 실리콘으로 만들어진 진성반도체와 4족 원소에 3족 원소 또는 5족 원소가 doping되어 만들어진 p형과 n형 반도체가 주로 사용된다. 또한 3족 원소와 5족 원소의 화합물인 InN, GaN, GaAs등도 많이 사용되고 있다. 실리콘은 지각에 산소 다음으로 많은 원소이지만 공업적으로 가치 있는 제품을 만들려면 순도가 99.99999999(텐나인) 또는 99.999999999(일레븐나인)이어야 한다. 이 정도로 순수한 실리콘을 만들려면 시약, 용기, 용매 등등이 순수해야 하며 마지막 단계에는 zone refining을 거쳐 만들어진다. 순수한 단결정을 제조하는 공정은 복잡하고 비용이 많이 소용되므로 다결정 및 비정질 반도체들이 개발되고 있다.

태양전지는 단결정. 다결정 및 비정질 태양전지로 분류되며 변환효율은 단결정 태양전지가 가장 높지만 공정이 복잡하고 가격이 비싸므로 공정이 보다 간단하고 제조원가가 저렴한 다결정, 비정질 태양전지가 개발되고 있다. 고순도의 실리콘을 1500℃에서 처리하여 단결정을 만든 후 dopant를 첨가하여 p-n접합체를 만든다. 빛의 반사를 최소화하기 위한 방지막을 만들어 부착하여 단결정 태양전지를 제조하는 데 공정이 복잡하고 고온이 요구되므로 제조가격이 높다. 따라서 보다 간단하게 만들 수 있는 다결정 태양전지나 비정질 태양전지가 최근에 개발되었다.

다음 표에 태양전지의 종류와 재료가 비교 설명되고 있다.

표 태양전지의 종류와 재료

이름 비번 비공개