김 기 환_ 한국에너지기술연구원 태양광연구실 선임연구원

안 영 수_ 한국에너지기술연구원 창의소재연구실 책임연구원

연 순 화_ 한국에너지기술연구원 에너지저장연구실 책임연구원

. 서 론

21세기에 접어들어 지구환경 문제의 심각화에 따라 지금까지의 에너지·자원을 대량으로 사용하는 에너지다소비형이나 환경파괴형 기술로부터 에너지절약과 자원절약 효과가 우수한 기술이나, 환경에 대한 부하가 적은 그린에너지 기술로의 전환은 세계적으로 시급한 이슈가 되고 있다. 이에 따라 에너지절약형이나 환경조화형 신산업 창출을 위한 과학기술기반의 확립이 절실하게 요청되고 있으며, 이를 위해 재료과학 분야에 있어서도 기존보다도 한층 더 가혹한 환경 하에서 열적 및 기계적 성능을 나타내는 여러 종류의 기능 안정화와 신뢰성이 우수한 새로운 세라믹스 소재의 개발이 더욱 요구되고 있는 실정이다.
한국에너지기술연구원은 에너지기술 분야의 산업 원천기술을 개발하고 성과확산 등을 통해 국가성장동력의 창출과 국민경제 발전에 기여함을 목적으로 설립된 출연연구기관으로 국민이 필요로 하는 연구기관, 기업이 필요로 하는 에너지기술을 연구 개발하여 연구결과가 기업의 경쟁력향상에 기여할 수 있도록 노력하고 있다.
특히 지구온난화의 주요원인으로 지목받고 있는 화석에너지의 소비를 줄일 수 있도록 에너지 사용기기의 효율향상 기술, 친환경을 유지하기 위한 태양광발전 및 태양열이용 기술, 풍력발전 기술 등의 신재생에너지 기술, 석유 및 석탄의 청정연료화 기술, 그리고 해양융복합에너지 기술을 포함한 새로운 에너지원의 발굴 및 실용화는 우리의 중요 연구 분야이다.
따라서 본고에서는 우리 한국에너지기술연구원에서 수행하고 있는 연구 분야 중 에너지효율 향상에 기여하고 있는 일부 태양전지 연구분야에 대한 기술소개 및 향후 발전전망에 대해 기술하고자 한다.

Ⅱ. 본 론

Ⅱ-1. 태양전지의 원리

생물, 인간 그리고 그들이 이루는 생태계 사회는 항상성과 원활한 작동을 위해 에너지를 필요로 한다. 에너지는 사전적 의미로 물체나 물체계가 가지고 있는 일하는 능력을 통칭하는 것으로 형태에 따라 운동, 위치, 열, 전기 등으로 구분할 수 있다. 이러한 사전적 의미를 떠나서 우리가 관심 있는 에너지는 유용성을 겸비해야 한다. 물체 혹은 물체계는 유용한 상태의 에너지를 쓸모 없는 상태로 변화시키면서, 즉 에너지원이 가지고 있는 유용성을 소모시키면서 원하는 작동을 얻어내게 된다. 가령, 난방 보일러는 연료를 태움(즉, 연소반응)으로써 열에너지를 발생시키고, 얻어진 유용한 열에너지는 난방과 온수 발생에 쓰이게 된다. 이렇게 한번 생성된 열에너지는 원래 용도(난방・온수)뿐만 아니라 비효율성으로 인해 사방으로 흩어지게 되는데, 자연적으로 다시 열에너지가 한곳에 모인다거나 연소되었던 연료가 원래의 화학적 상태로 돌아가는 일은 결코 발생하지 않는다. 즉, 한 번 써버린 열에너지는 다시 재활용할 길이 없기 때문에, 연료의 추가 투입 없이는 결코 난방 보일러의 작동을 기대할 수 없다. 이러한 특성을 비가역성이라고 하는데, 현대 산업사회가 이용하는 대부분의 에너지원이 이러한 비가역성을 가지고 있다.
이에 비해 재생에너지[1]는 자연 및 생태계에서 자연적으로 공급하는 에너지로 인해 인위적인 에너지 투입 없이도 다시 유용한 형태의 에너지를 반복적으로 생산해 낼 수 있는 것들을 일컫는다. 여기서 “인위적인 에너지 투입”이라는 말에 주목할 필요가 있다. 이는 영원히 스스로 에너지를 생산하는 상상의 영구기관과 전혀 다른 말로, 자연에서 베푸는 시혜로 인해 인간의 인위적 행위가 없이 에너지가 투입되는 형태로 정의된다. 이러한 이유로 자연에서 발생하는 에너지원들 즉, 태양, 풍력, 해양 및 바이오 에너지 등이 이러한 분류에 속한다. 이 중 태양에너지는 인류가 가장 오래전부터 이용해온 친숙한 에너지원이며, 지구의 기후・기상 현상의 근원이며, 결정적으로 아무런 대가 없이 앞으로도 약 50 억년 이상 매일 막대한 량의 복사 에너지를 우주로 방출할 것이다. 이 정도의 충분한 긴 에너지 제공 시간이면, 우리가 현대 사회에 경험하는 어느 날 갑자기 제공되던 서비스의 단절에 대한 막연한 두려움은 접어 두어도 될 것이다.
태양에너지는 태양광과 태양열의 형태로 이용이 되는데, 본 절에서는 학문적, 산업적으로 큰 관심을 받고 있는 태양광발전 즉, 태양전지에 기술하고자 한다. 태양전지는 태양광을 태양전지는 태양광을 유용한 에너지의 형태인 전기로 직접 변환시켜주는 반도체 소자로 광기전력(photovoltaic) 효과를 이용한 광전변환소자이며 태양광발전의 가장 핵심적인 소자이다. 빛 (광자)과 전자는 상호 작용을 한다. 즉, 빛에 의해 전자의 에너지 상태는 달라질 수 있으며, 적절한 상황이 만들어진다면 빛은 전자를 유용한 에너지원으로 이용될 수 있는 상태로 만들 수 있다. 이를 이용한 것이 태양전지이며, 이 원리를[그림 1]에 도시하였다. 먼저 태양빛이 태양전지 흡수되면 전자(공)이 생성되고, 생성된 전자(공)은 태양전지에 형성된 언덕(전기장)에 의해 한쪽으로 축적되고 이러한 전하 불균형으로 기전력이 형성되게 된다(과정 1). 이는 물병에 위치에너지를 극복하고 물을 채워 넣는 것과 유사한 과정이다. 태양전지에 형성된 언덕(전기장)을 변화시켜면, 축적되었던 전자(공)은 외부로 흘러나와 에너지로 이용되게 된다. 이는 물이 채워진 물병의 마개를 열어 물을 낙하시켜 물리적인 운동에너지를 얻는 것과 비슷하다고 볼 수 있다. 조금 더 자세하게는 태양전지 내 언덕의 아래(왼) 쪽에 해당하는 부분은 n-형 반도체이며 높은(오른) 쪽은 p-형 반도체에 해당한다. 따라서 p형 반도체와 n형 반도체를 접합시킨 pn-접합 다이오드(pn-junction diode)가 일반적인 태양전지의 형태가 되며 이를[그림 2]에 도시하였다.

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