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태양광발전
태양광발전(photovoltaic power, 太陽光發電)은 발전기가 없이 태양전지를 이용하여 햇빛을 직접 전기에너지로 변화시키는 방식이다. 태양광발전은 빛 에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 점에서 빛의 열에너지를 이용하여 발전하는 태양열발전과는 구분된다. 태양광발전은 대표적인 재생에너지이며 풍력발전에 비해 설치 요건이 널널하기 때문에 주목받고 있다.[1][2][3]
개요
태양광발전은 광기전 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 태양으로부터 오는 빛을 전기에너지로 바꾸어 주는 발전 방법이다. 광기전 효과는 광전 효과(photoelectric effect)와 거의 비슷하지만 설명하는 상황이 조금 다르다. 광전효과가 일반적으로 어떠한 물질이 빛을 받아 전자를 방출하는 효과를 의미하고 광기전 효과는 광전효과의 결과로 생긴 전자와 양공(hole)이 물질 내부에서 이동하여 전위차를 만드는 것을 말한다. 광기전 효과는 광전 효과의 하나의 결과로 생각할 수 있는 부수적인 효과라고 할 수 있다. 광기전 효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 장치가 태양 전지(solar cell)이다. 태양광발전은 광기전 효과를 이용해 만드는 태양전지의 종류에는 크게 실리콘 태양전지와 비 실리콘 태양전지로 나누어진다. 실리콘(Si, 규소) 기반 태양전지는 실리콘이 간접 밴드갭(indirect band gap)을 가지고 있어서 에너지의 일부가 원자의 진동, 즉 포논(phonon)으로 새어나가 효율이 좋지 않을 수 있으나 이러한 단점에도 불구하고 실리콘은 제조공정기술이 매우 발전되어 있어 여전히 가장 많이 쓰여지고 있는 물질이다. 결정질 실리콘 태양전지가 전 세계 시장에서 차지하고 있는 비율은 85%이상이다. 태양광발전은 정비 요소가 적고 유지비가 저렴하다. 이러한 강점 때문에 현재 국내에도 가정용 태양광 발전기를 설치하는 가정이 늘어나고 있는 추세이다. 10W/㎡를 생산 가능한 태양광 발전소는 면적당 에너지 생산 효율이 풍력발전의 4배, 바이오매스의 20배에 이르며 신생에너지도 높은 효율을 보여주고 있다. 태양에너지는 100 ~ 250W/㎡를 보면 태양광발전의 효율은 현재 10 ~ 20% 효율을 보여주고 있으며 향후에는 효율이 더 오를 것으로 기대가 되고 있다. 하지만 태양광발전은 날씨에 따른 출력 편차가 크다는 단점을 가지고 있다. 태양광의 방향이 시간에 따라 바뀌고 흐린 날, 비 오는 날 등 날씨에 따라서 효율이 낮아진다. 또한 온도에 따른 효율성 문제도 포함하고 있다. 2017년 기준으로 태양광 패널은 25도에서 가증 좋은 효율성을 보여주지만 그 이상, 이하의 온도에서는 효율성이 감소한다. 대한민국을 보면 보통 3 ~ 6월, 9 ~ 11월에 태양광발전 효율이 가장 높은 이유가 온도에 따른 효율에서 오는 것이다. 태양광발전의 초창기에는 태양전지를 이용해 제조를 하였는데 이때 카드뮴이 유독 물질로서 제작 공정마다 유해 물질이 검출되기는 했지만 현재는 실리콘 기반의 태양전지로 대체가 됨으로써 친환경에 가까워지고 있다.
한국은 2015년 열린 국무회의에서 2030년 탄소배출 전망치 대비 37%를 추가로 감축하기로 확정하였고 외교부에서도 공표하였다. 때문에 화석연료 발전 비중을 극단적으로 줄여야 하는 상황이지만 탈원전 정책으로 인해 원자력 발전소 증설은 요원해졌다. 원전을 제외한 남은 선택 중에서 그나마 현실적인게 태양광발전이고 정부에서도 적극적으로 밀어주고 있는 상황이다. 중국의 경우엔 주요 사막지대인 신장과 내몽골에 태양광 발전 시설을 세우면서 국가 주도로 사업체를 성장시켰다. 이 후 일대일로 사업으로 태양광과 관련된 사안에 이 업체들을 몰아넣으면서 크게 성장시켜나고 있다. 유럽에서는 태양광발전이 대체에너지로 활발하게 도입되었다. 특히 독일은 2020년엔 전체 전력 생산의 50%를 신재생에너지로 2050년엔 전체 전력 생산을 신재생에너지로 하겠다는 국가사업을 하고 있다. 그중에서 태양광발전을 공격적으로 투자하고 있으며 2014년 6월 설비 용량 기준으로는 거의 절반에 다가가고 있다.[4]
원리
태양광발전은 광기전 효과라는 미시 단계의 물리적 변환을 이용하여 전기를 생산한다. 2015년 말 현재 가장 고효율이 약 50~52%에 달한다. 참고이 정도면 다른 발전 방식에 비교할 만하나 고효율 방식은 제조비가 비싸다. 상용 셀이나 모듈은 15~22% 정도이며 저가 양산품은 그보다 떨어지며 사용하는 가정용, 주택용은 무시해도 되지만 만약 도심에서 멀리 떨어진 곳에서 생산해서 송전하게 된다면 저장이나 송전 등에서 5~10% 정도의 추가 효율 감소가 있을 수 있다. 다만, 태양광 에너지 자체는 완전 무상이기 때문에 땅값이나 면적 문제만 아니라면 어느 정도 무시된다. 태양광 발전은 광기전 효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 장치가 태양 전지(solar cell)가 있다. 태양전지는 크게 n형 반도체와 p형 반도체, 그리고 빛의 흡수를 도와주는 반사방지판과 전극으로 이루어져 있다. n형 반도체는 전자가 p형 반도체는 양공이 전하를 옮기는 주된 역할을 하는데 이 두 반도체를 서로 붙여놓으면 상대적으로 전자가 많은 n형 반도체에서 p형 반도체로 전자가 확산되고 반대로 p형 반도체에서 n형 반도체로 양공이 퍼져나간다. 접합부를 중심으로 n형 반도체 쪽에는 양의 전하를 가진 양공이, p형 반도체 쪽에는 음의 전하를 가진 전자가 몰려있게 되고 접합부에는 n형 반도체에서 p형 반도체 방향으로 향하는 내부 전기장(built-in field)이 생성된다. 전하의 확산이 충분히 이루어지면 전기장의 세기도 따라서 강해지고 어느 순간에는 한 쪽 방향으로 확산되려는 힘과 전기장에 의해 반대쪽 방향으로 이동하려는 힘이 같아져서 더 이상 전자나 양공이 이동하지 않는 상태로 된다. 이렇게 전기장이 생기는 영역을 결핍 영역(depletion region, space charge region)이라고 부른다. 반도체의 밴드갭보다 더 큰 에너지를 가진 빛이 태양 전지에 들어오면 태양 전지 내부에 존재하는 전자를 더 높은 에너지의 상태로 들뜨게 만들고 전자가 있던 자리에 양공이 만들어지면서 전자-양공 쌍(electron-hole pair)이 생성된다. 이 때 n형 반도체와 p형 반도체의 접합으로 인해 발생한 내부 전기장의 영향을 받아서 들뜬 전자는 n형 반도체 쪽으로 움직이고 양공은 p형 반도체 쪽으로 움직이게 된다. 각각 음전하와 양전하를 가진 전자와 양공이 서로 반대 방향으로 이동하게 되므로 태양 전지 내부에 양공의 이동방향을 따라 전류가 흐르게 되며 태양 전지에 외부 회로를 연결하게 되면 이 회로를 따라서 전류가 흐르고 이것이 태양광 발전의 기본적인 원리이다.
탠덤 구조처럼 여러 셀을 적층하면 고효율은 달성할 수 있다. 그러나 비싼 제작비 탓에 고효율 패널은 가격보다는 효율이 중요한 특수 목적용이 많다. 실리콘같이 흔한 재료가 아닌 특수 재료로 만들어진다. 순수하게 최종 효율 50%의 대규모 태양광 발전 같은 형태는 현재는 상용화하기 어렵다. 적층 구조 등이 아닌 단일 흡수층으로 이루어진 전지의 효율은 약 35% 정도 내외이며 이 한계치는 이론상 잘 알려져 있다. 특수한 경우가 아닌 이상 경제적 혹은 기술적 문제로 적층 구조를 이용하지 않기 때문이다.
분류
범용성
장점
단점
국내 현황
산업 현황
각주
참고자료
- 〈태양광 발전〉, 《위키백과》
- 〈태양광발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Photovoltaic power", Wikipedia
같이 보기
