태양전지

햇빛은 그저 밝은 빛줄기처럼 보이지만, 사실 '광자'라고 부르는 무수히 많은 작은 에너지 알갱이들의 행렬이에요. 이 빛 알갱이들이 실리콘 같은 반도체 층에 쏟아져 내리면 흥미로운 일이 벌어져요.

원자 주변에 얌전하게 묶여 있던 전자가 날아온 빛 알갱이를 흡수해요. 마치 정지해 있던 당구공이 굴러온 공의 힘을 받아 움직이기 시작하는 것과 비슷하죠. 다만 실제로는 빛 알갱이가 전자에게 흡수되어 사라져요. 빛의 에너지를 건네받은 전자는 원자에 묶인 상태에서 풀려나, 물질 밖으로 나가지는 않고 물질 안을 자유롭게 돌아다니는 자유 전자가 돼요.

빛을 쬐었을 때 전자가 에너지를 얻어 움직이는 현상을 넓게 '광전효과'라고 불러요. 전자가 물질 밖으로 튀어나가는 경우와 달리, 태양전지처럼 물질 안에서 움직이는 전자로 전압을 만드는 현상은 따로 '광기전력 효과'라고 해요. 이것이 잠들어 있던 전자를 깨우는 첫 번째 관문이에요.

빛을 받아 깨어난 자유 전자가 아무 방향으로나 제멋대로 흩어지면 전기가 만들어지지 않아요. 전기는 전자가 일정한 방향을 향해 줄지어 질서 있게 흐를 때 생겨나거든요.

전자가 한 방향으로만 흐르도록 만들기 위해, 태양전지는 성질이 서로 다른 두 반도체를 맞붙여 놓아요. 여분의 전자를 많이 가진 'N형 반도체'와 전자가 들어갈 빈자리(양공)를 가진 'P형 반도체'를 결합하는 것이죠. 이렇게 두 반도체가 만나면 그 경계면에 전자를 한쪽으로만 밀어내는 내부 전기장이라는 일방통행 미끄럼틀이 완성돼요.

빛을 받아 풀려난 전자는 이 미끄럼틀을 타고 오직 N형 반도체 쪽으로만 미끄러져요. 이 전자들이 바깥에 연결된 전선을 타고 이동하면서 스마트폰을 충전하거나 전등을 켜는 전류가 돼요.

태양전지가 여름철의 뜨거운 열기로 전기를 만든다고 오해하는 경우가 많아요. 하지만 태양전지는 열이 아니라 빛 알갱이의 에너지를 직접 흡수해 전기로 바꾸는 장치예요.

오히려 한여름에 태양전지판의 온도가 너무 뜨겁게 올라가면 발전 효율이 뚝 떨어져요. 온도가 오르면 태양전지가 만들어내는 전압이 낮아지기 때문이에요. 실리콘 태양전지는 보통 25도를 넘어 1도 오를 때마다 출력이 원래 값의 약 0.3~0.5%씩 줄어들어요. 효율이 20%라면 1도에 약 0.08%포인트 정도 낮아지는 셈이에요. 그래서 맑고 선선한 봄이나 가을철에 전기가 더 잘 만들어지기도 해요.

또한 모든 햇빛이 전기가 되는 것도 아니에요. 에너지가 너무 약한 빛 알갱이는 전자를 튕겨내지 못하고 그냥 통과하고, 에너지가 너무 강한 빛은 남는 힘을 열로 낭비해요. 현재 일상에서 흔히 쓰이는 실리콘 태양전지의 에너지 변환 효율이 20% 안팎에 머무는 가장 큰 이유 중 하나가 여기에 있어요. 여기에 표면 반사나 전기 저항 같은 손실도 더해져요.