태양광 발전은 21세기에 들어서면서 비약적인 발전을 이루었으며, 현재도 끊임없이 발전하고 있습니다다.
아래의 LCOE(Levelized cost of energy, 균등화 발전비용) 그래프에서 태양광 발전의 변화만 보아도 이를 한눈에 확인할 수 있습니다.
※ LCOE란, 특정 에너지원 발전소에서 생산하는 전력(kWh)당 소모되는 전체 비용(투자비, 유지비, 폐기물 관리비 등)을 의미하며, LCOE가 낮을수록 해당 에너지원으로 전력을 생산하는 비용이 경제적이라는 뜻입니다.
2009년과 비교했을 때, 태양광의 LCOE는 무려 83% 감소하여(밑에서 두번째 항목) 석탄 및 원자력 발전보다 작습니다.
물론, 이는 발전 효율과 동일한 개념은 아닙니다.
예를 들어, 태양광 발전은 태양빛을 이용하여 전력을 생산하기 때문에 밤이나 흐린 날에는 발전이 어렵습니다. 이로 인해 유효 생산량이 약 30% 수준에 불과한 반면, 원자력 발전은 24시간 가동이 가능하여 유효생산량이 90%에 달합니다.
그럼에도 불구하고 원자력 발전의 LCOE가 높은 이유는 건설 비용, 연료봉 구매 및 폐기물 처리 등의 부대비용이 상당하기 때문입니다.
따라서 태양광 발전의 LCOE 감소는 에너지 산업에서 중요한 의미를 가지며, 이로 인해 태양광 발전에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.
이러한 수요 증가는 다시 태양광 발전 기술을 발전시키는 선순환 구조를 만들어 가고 있습니다. 무엇보다도 태양광은 탄소중립을 달성하기 위해 필수적인 에너지원으로, 앞으로도 관련 기술의 발전과 수요 증가는 지속될 것입니다.
태양전지의 원리
태양광 발전을 이해하려면, 먼저 태양광 발전의 핵심 요소인 태양전지의 원리를 알아야 합니다. 태양전지는 반도체와 유사하게 실리콘(Si)을 기반으로 제작됩니다.
실리콘 정제 과정
- 모래(SiO2) + 탄소(C) + 2000℃ → 98% 순도의 실리콘(Si)
- 98% Si + 염화수소(HCl) → SiHCl3(기체)
- SiHCl3 + 수소(H2) → 다결정실리콘(폴리실리콘)
- 폴리실리콘을 가열 및 회전 → 단결정실리콘(잉곳)
이렇게 생성된 단결정실리콘과 다결정실리콘을 긴 막대 형태로 가공한 후 얇게 절단하면 웨이퍼가 만들어집니다.
단결정실리콘은 폴리실리콘보다 공정이 하나 추가되므로 가격이 더 비싸지만, 순도가 높아 성능이 우수합니다.
초기에는 다결정실리콘이 주로 사용되었으나, 기술이 발전하면서 단결정실리콘이 주류로 자리잡게 되었습니다.
태양전지의 p-n 접합 원리
웨이퍼 자체는 실리콘(Si)으로 구성되어 있어 자유전자가 거의 존재하지 않습니다.
따라서 전기를 생성하기 위해 붕소(B)나 인(P)과 같은 불순물을 첨가하여 자유전자를 생성합니다.
- 인(P)을 첨가하면 n형 반도체(n-type) 생성
- 붕소(B)를 첨가하면 p형 반도체(p-type) 생성
하지만 자유전자가 생긴 것만으로는 전류가 흐르지 않기 때문에 추진력이 필요하며, 이것이 p-n 접합입니다.
p형과 n형 반도체를 접합하면 p-n 접합이 형성되는데, 이때 자유전자가 정공(전자 구멍)과 결합하여 전자와 정공이 없는 공핍영역이 만들어집니다.
이때, n측은 양극, p측은 음극이 되어 전기장이 형성됩니다.
이제 태양빛을 웨이퍼에 쬐어주면 p-n 접합에도 빛이 도달하게 되어 빨간색으로 표시한 공핍영역에서 전자-정공 쌍을 생성하게 됩니다. 이것이 그 유명한 광전효과입니다.
그 후 공핍영역에서 형성되었던 전기장에 의해 전자는 양극인 위로, 정공은 음극인 아래로 흐르게 되며, 그 후 전자와 정공이 각각 위아래에 쌓이게 되는데 이때 전선을 연결하면 전류가 한 방향으로 흐르게 되는 것입니다.
전자는 아래쪽으로 끝까지 간 후 p영역의 정공과 다시 결합을 이루게 됩니다. 이러한 방식으로 태양전지는 전류를 직류로 계속 공급합니다.
태양전지는 빛이 들어오는 방향으로 p층과 n층 모두 사용할 수 있는데, 어느 층으로 태양전지를 만들든 빛이 들어오는 층의 두께가 더 얇아야 빛의 투과율이 높아집니다. 그리고 그만큼 도핑 농도를 높게 가져가야하는 특징이 있습니다.
예를 들어, 위에서 설명한 태양전지는 n층에서 태양빛이 오기 때문에 n층이 고농도에 얇고 p층이 저농도에 두껍게 제작된다. 이렇게 p-n접합을 형성하게 되면 아래처럼 공핍영역이 p층에서 더 두껍게 형성이 된다.
최근에는 정공의 낮은 이동도를 고려하여 빛이 들어오는 쪽에 p층을 배치하는 방식도 활용되고 있습니다.
이 방식은 p층의 두께를 얇게 조정하여 전자 이동을 최적화하는 효과를 갖습니다.
태양광 패널의 구조
태양전지는 개별적으로 사용할 수 없으며, 여러 개를 직렬 및 병렬로 연결하여 패널을 구성해야 합니다.
태양전지는 아래 그림처럼 2D로 배열하여 한 층을 만듭니다.
검은색 사각형이 하나의 셀이며, 전선을 통해 각 라인의 셀끼리 직렬로 연결되어 스트링을 형성합니다.
이 스트링을 여러 개 묶어 병렬 연결하여 하나의 태양전지 모듈을 제작하게 됩니다.
그 후 태양광 표면에는 충격, 습기, 먼지로부터 보호하는 EVA 시트를 적용합니다.
이렇게 만들어진 태양광 패널은 빛을 받아 전자를 이동시키고, 생성된 전류는 전선을 통해 외부로 전달됩니다.
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