현재 대체에너지 산업계에서 활발한 붐을 일으키고 있는 태양광 발전은 태양의 빛을 전기 에너지로 변환하는 것인데요. 지금까지 우리가 알고 있는 대체 에너지는 떨어지는 물의 힘을 이용한 수력발전이나, 땅의 열로 물을 끓여 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 발생하는 지열발전 방식은 ‘힘(에너지)’가 우리에게 체감적으로 느껴졌던 영역이었죠. 그런데 태양의 열도 아니고, 태양빛으로 에너지를 만든다니! 이것이 가능할까요?
태양빛으로 에너지를 만든다는 것은, 바꿔 말하면 ‘빛’에 에너지가 존재한다 혹은 에너지를 발생한다는 점일 텐데요. 이것을 이해하기 위해서는 우선 빛의 개념부터 알아야겠죠. 고등학교 물리학 시간 때, ‘입자설’과 ‘파동설’에 대해 배웠던 기억나시나요?
18세기까지 빛은 뉴턴이 정의한대로 입자의 흐름이라는 설이 강력했습니다. 쉽게 말하면, 빛은 '무수한 빛의 알갱이'로 이루어졌다는 말인데요. 학자로서 뉴턴의 높은 권위덕분에 빛의 입자설은 정설로 받아들여지다가 19세기에 들어서야 빛은 '소리'와 같은 '파동'으로 움직인다는 설이 강력하게 제기됩니다. 파동은 주기적인 진동이 널리 퍼져나가는 현상을 뜻합니다. 소리와 지진의 진동이 대표적인 예이죠. 파동설은 스위스의 수학자 레온하르트 오일러가 빛이 지닌 파동(진동)모형에 대한 증거를 제시하고, 빛의 회절 등 입자설로는 설명할 수 없는 빛의 현상들을 제시함으로서 강력하게 제기됩니다.
그러나 빛이 '알갱이'냐? '진동'이냐?하는 논의는 현대에 와서도 계속되는데요. 과학자들 사이에서 논쟁이 분분하던 중, 20세기초반에 레나르트라는 독일의 과학자가 금속판에 빛을 쪼이면 전자(전하를 띤 알갱이)가 나온다는 것을 발견하게 됩니다. 이것이 ‘광전효과’입니다. 광전효과는 빛이 ‘알갱이’일 때, 설명이 가장 확실하게 되는데요. 빛이 알갱이가 아닌, 진동이라면, 전기성질을 띤 '알갱이'가 나올 수 없겠죠? 그리고 광전효가를 증거로 빛이 입자의 성질을 가지고 있다는 사실을 입증한 과학자가 그 유명한 아인슈타인입니다.
200년 동안 과학자들 사이에서 입자(알갱이)인가, 파동(진동)인가를 두고 쟁쟁한 톤론을 했지만, 빛은 결국 입자의 성격과 파동의 성격을 모두 지닌, 모순덩어리였던 것이 밝혀졌습니다. 훗날 과학자들은 이 두 가지 성질을 지닌 빛에 입자와 파동 모두 지녔다고 하여 ‘빛의 이중성’이라는 새로운 관점을 부여하게 됩니다.
앞서 설명한대로, 광전효과는 아인슈타인이 빛의 입자성을 설명하기 위한 증거로, 금속 물질에 일정한 빛을 비추었을 때, 표면에서 전자(전하를 띠고 있는 알갱이)가 튀어나오는 현상입니다. 전자는 '음전하'(건전지를 보면 마이너스극, 플러스극이 있는 것을 확인하셨죠? 이렇듯 전하에는 마이너스와 플러스 전하가 있답니다.)를 가지는 소립자 중 하나인데요.
마이너스 전하는 원자핵의 플러스전하와 전기력에 의해 평소에는 금속물질에 잡혀있답니다. 그러다가 빛을 쬐게 되면 빛이 가진 이중성 중, 입자 성질에 의해 빛알갱이(광자)가 마이너스 전자와 충돌하면서 빛의 성질을 가진 에너지를 생성하게 됩니다. 이것이 바로 빛에너지의 실체라고 할 수 있습니다. 생성된 에너지가 기존에 마이너스전하를 묶어두었던 플러스전하와 전기력보다 크다면 생성된 빛에너지가 금속 밖으로 튀어나가게 되는 것이죠. 따라서 방출되는 빛에너지(광자+음전자)의 개수는 전자와 충돌한 광자의 개수와 비례하게 됩니다. 빛의 세기가 셀수록 더 많은 빛 에너지가 생성된다고 할 수 있는 것입니다. 이러한 광전효과의 원리를 이용한 것이 바로 ‘태양광 발전’입니다.
▲ 다보스 콘그레스센터에 설치된 태양광 모듈, 사진제공: 한화케미칼
'태양광 발전'에서 빛을 전기 에너지로 바꾸는 것은 ‘태양전지’라고 불리는 얇은 판입니다. 태양전지는 폴리실리콘으로 만들어진 판을 여러 개 연결하여 넓게 만들죠. 금속판이 아닌, 폴리실리콘을 사용하는 이유는 무엇일까요? 빛을 쬐어 전자를 더 잘 이끌어내기 위해서입니다. 일반적인 금속으로 만들어진 태양전지는 광자와 음전자가 결합한 빛에너지가 밖으로 쉽게 유출되어 한곳에 전류를 모으기가 어렵습니다. 반면 폴리실리콘은 내부에서 전류를 만들어내기 때문에 에너지 손실이 거의 없이 전기 에너지를 한곳으로 모을 수 있다고 합니다.
▲ 폴리실리콘 사진출처: 위키피디아(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polycrystalline)
또한 광전효과를 더욱 잘 이끌어내기 위함도 있습니다. 광전효과는 짧은 파장을 지닌 '자외선'에서 잘 발생되며 빛이 쪼여지는 물질에 따라 광전효과가 발생하는 빛의 파장이 달라진답니다. 광전효과를 가장 활발하게 이끌어낼 수 있는 재질이자, 태양광 중에 가장 강한 파장구간에서 광전효과를 이끌어내는 것이 ‘실리콘’입니다. 따라서 실리콘이 태양전지의 최적의 재료로 선택된 것이죠.
▲ 폴리실리콘 사진출처: 위키피디아(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polycrystalline)
한화케미칼에서도 태양전지의 가장 대표적인 재료인 ‘폴리실리콘’을 생산하고 있는데요. 내년 2015년 상반기에는 1만 톤 규모로 생산라인을 확장한다고 합니다. 태양광 분야에서 규모의 경제를 실현함과 동시에 세계적인 태양광 발전 기업으로 전진할 날이 머지않았네요! 태양전지에 빛이 닿는 것만으로도 에너지가 생성되는 놀라운 세상! 한화케미칼이 함께합니다.