태양전지, 그 쉬운 원리는 알고 계신가요?

최근 녹색성장과 미래 대체에너지 사업으로 태양광 제품들이 굉장히 뜨고(?) 있습니다.^^
몇일 전에는 태양전지판을 옷에 장착하여 3시간 후부터 핸드폰을 충전할 수 있다는 뉴스기사도 보았고
핸드폰 자체에 태양전지판을 장착하여 자가 충전을 할 수 있다는 뉴스도 보았는데요.
그런 원리를 응용하면 미래에는 옷에 태양전지판을 부착하여 한겨울에도 옷 안을 열선으로 따뜻하게 만들 수 있겠지요.
(물론 열을 발생시키려면 꽤 많은 에너지를 전지판으로 공급받아야 하니 고효율의 태양전지판 기술이 필요합니다^^)

 

             <신안동 태양광 발전소 전경. 전남 신안군 지도읍에 자리. 추적식 태양광 발전소. - 사진제공 : 동양 건설산업>

이렇게 많은 태양광을 이용한 친환경 제품들이 출시되고 있는데
혹시 태양전지의 원리 를 알고 계신가요?^^
그래서 오늘은 쉽고 간단한 태양전지의 원리를 더욱 더 쉽게 풀어서 써보려고 하니 편한 마음으로 읽으셔도 됩니다.
(대학시절에 배운걸 포스팅 하려니 기억이 가물가물 하네요..ㅠ_ㅜ 으흑~)

 

 

#1. 태양에너지?

 

지구상에 도달하는 태양 빛에 얼만큼의 에너지가 있는지 간단히 설명드리겠습니다.^^

 

지구상에 도달하는 태양 에너지량은 120조 kW  입니다.

그리고 지구가 소비하는 에너지량은 100억kW 이므로

인류가 소비하는 에너지의 만배 이상이 태양으로부터 지구로 도달합니다.^^

 

만약 사하라 사막의 1/4 면적에 태양전지판을 설치하면 21세기 세계 전력수요 모두를 태양에너지로

대체가 가능한, 정말 엄청난 양의 태양 에너지가 지구로 도달하고 있습니다.


#1.  태양전지를 이해하기 위한 기초지식^^

우선 태양전지나 태양광 발전등은 반도체의 원리를 기본 으로 합니다.
태양전지도 여러가지 종류가 존재하지만^^ 간단히 P-N 접합 반도체 만을 써보도록 하겠습니다. (가장 기본적인 태양전지입니다^^)
'P-N접합이라니.. 이게 무슨소린가...' 하실 필요 없습니다.
간단하게 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여놓았다고 생각하시면 됩니다^^

그럼 P랑 N이 뭔데? 라는 의문이 생기실 겁니다.

  

간단하게 P는 (+) 성질을 많이 가지고 있고 N은 (-) 성질을 많이 가지고있는 반도체이지요.

결국 + 성질과 - 성질을 많이 가지고 있는 것끼리 

서로 붙어있는 경우입니다.

여담으로 글을 잘 보시면 "많이" 가지고 있다고 했으니

P 안에도 소수의 (-) 성질은 존재합니다.

(벌써 어지러우시다구요? 아주 간단하니 편하게 읽어보세요~)

그럼 (-)는 무엇이라 부를까요?  예! 전자입니다. electron 이라고 말하죠^^
       (+)는 정공입니다. hole 이라고 말하죠.

       (hole = 구멍 입니다. 물질 내 전자 사이의 구멍들이 + 성질을 나타냅니다)                    <N형 반도체 P형 반도체의 접합모습>

*이들을 Carrier(캐리어) 라고 합니다.

지금까지 가장 가장 어려운 기초지식을 끝냈습니다. (버.. 벌써?-_-.. 괜찮습니다. 이것만 알아도 됩니다^^)
이제 우측 그림을 보면서 아주 쉽게 이해시켜드리도록 하겠습니다^^


#2. 엄청나게 쉬운 태양전지의 원리

↗ 쪼오기(;^^) 위 그림을 보시면 제가 말씀드린 대로 2가지 형태의 반도체가 서로 붙어 있습니다.
N형 반도체에는 전자(-)가 더 많고 P형 반도체에는 정공(+)이 더 많지요?

여기에 태양광을 쬐면 태양 에너지가 반도체 내에 
자유전자(-)를 생성하게 됩니다.
갑자기 없던 자유전자(-) 를 어떻게 생성하냐구요?
태양은 엄청난 에너지를 가지고 있기 때문에 빛 에너지를 받고
자유전자들이 생기는 것입니다.


이렇게 태양광으로부터 생성된 자유전자들은
신나게 움직이기 시작합니다.


그러다가 전자(-)와 정공(+)이 이동하면서 접합된 부위에 생성된 전기장 때문에 전자와 정공은 아래 사진처럼 이동이 됩니다.

내용 추가 - 두개의 접합 부위에서는 공핍층이라는
층이 생기는데 그 부분에서는 아무런 정공도 전자도
없는 곳입니다.^^ 전자와 정공이 이동하면서 전기장이 형성되고
공핍층 내에 전자와 정공이 있더라도 전기장에 의해서
공핍층에서 빠져나가 전자는 N형 실리콘으로 홀은 P형 실리콘으로
이동됩니다.  이것은 모르셔도 됩니다. ^^;

좌측 사진을 보시면 전자(-)는 위로 정공(+)은 아래로 이동한걸 알 수 있습니다.



#3. 그럼 전기는 어디에서 생기지?

이제 거의 다 끝났습니다. 그런데 여기서 딱 1개 더 알고 가야할 상식이 있습니다! 
전자(-)의 이동방향과 전류(I)의 이동방향은 반대!!! 라는 것이죠...^^


그림처럼 전선을 연결했을 때 태양광에 의해 생성된 전자들은 N형 실리콘에 모여있다가
전선을 타고 열심히 이동하게 되고 전자가 이동하는 방향의 반대방향으로 전류가 형성 되게 됩니다.
(전류는 +극에서 -극으로 이동하죠?^^ 전자(-)의 이동방향은 그 반대라는 뜻입니다.)

 

 

#4. 그러면 반도체와 태양전지의 차이점은 무엇?

반도체는 전기를 흘려주면 부도체에서 전도체로 변해 전기가 통하는 것 이고 
태양전지는 태양에너지를 받아서 전자와 정공의 이동이 일어나 전기가 생성되게  
하는 것입니다^^

(마치 다른것 처럼 보이지만 태양전지는 반도체로 만들어진 것이니 같다고 볼 수 있지요^^

일반적으로 가전제품 안에 들어가는 반도체와 태양전지와의 차이점 때문에 구분해 보았습니다.)

간단하게 이야기 하면 반도체는 움직일수 있는 시동을 전기가 걸어주고

태양전지는 태양 에너지가 전기를 만들어줄 시동을 걸어준다고 생각하면 되겠네요^-^;;;



#5. 그럼 무한대로 전기를 생성할 수 있나?

예. 무한대로 생성이 가능합니다. 태양이 사라지기 전까지요^^;
태양이 없으면 인류도 없을테니;; 영구적이라고 할 수 있겠네요!!~~~~
           
                                                                                                                                              <Solar Cell의 모습>
#6. 과연 미래에는?

아직도 태양전지의 발전 가능성은 무궁무진 합니다.
작년에 코엑스에서 2008 에너지 대전에서 가장 감명깊게(?) 보게 된 태양전지가 하나 있었는데요
바로 염료감응 태양전지입니다.

이건창호에서 전시했던 기술이었는데 좌측에 보이는 것이
바로 염료감응 태양전지 입니다.

위에 태양전지와는 다른 원리로 화학적인 기술 또한 가미된
새로운 개념의 태양전지였는데요.
(이것을 설명하자면 엄청나게 길어질 것 같아요^^ 검색 고고싱!)


저런 타일을 사용하여 건물 외벽이나 유리창에 붙여놓는다면
에너지 절약과 자연환경의 보존, 건물의 미적인 요소까지
두루두루 갖출수 있겠지요.

(물론 일반 태양전지판보다 효율은 조금 떨어지지만
적은 빛에너지에서도 전기를 만들수 있는 장점을 가지고 있습니다!!)

       <염료감응 태양전지 - 출처 : 이건창호>

 또한  왼쪽에 보시는 자동차는 토요타의 프리우스인데
썬루프에 태양 전지판을 장착하여 에어컨이 가동되는 전기는
태양전지판에서 받은 전기에너지를 사용한다고 합니다.

물론 차량의 단가는 높아지겠지만 지구온난화에 따른 친환경 차량에
관심이 높아진 현실을 반영하고 있다고 생각합니다.


앞으로도 태양전지의 기술이 계속 개발되어 미래에는
고효율의 태양전지가 많이 개발되었으면 하는 바램입니다.^^

<토요타 프리우스 썬루프 사진 - 출처 : 토요타>


제 설명 이해하기 쉬우셨나요?^^; 어.. 어려웠다구요!?;;

그러면 한줄요약을 해보겠습니다.

N형 반도체와 P형 반도체가 붙어 있는데 빛 에너지를 받으면 자유전자(-)와 정공(+)이  
생기고 전자가 전선을 타고 이동하면 전자가 이동하는 반대방향으로 전기가 된다!!
입니다...
하다보니 두줄요약이 되었네요..^^;;죄송..

이것만 알아도 태양 전지의 원리는 충분히 안다고 하실 수 있습니다.

오랫만에 전기 전자 이야기를 했더니 어질어질합니다^^;

                                                                                           
덧글.
전자과 학생분들이나 전문가분이 보시기에 매우 빈틈이 많아 보이는 설명이라고 생각이 됩니다^^;
쉽게 풀어쓰려다 보니 꽤 많은 생략을 하게 되었습니다. 너그러히 이해해주세요~