[사이언스프리즘] 태양광발전의 가능성과 한계

대표적 재생에너지 태양광발전 / 신뢰도 높고 유지비 적다는 장점 / 태양전지 에너지 변환 20% 이하 / 다른 발전기술과 함께 부담 나눠야

신고리 원자력발전소 5호기, 6호기가 공사를 계속하는 쪽으로 결론 났다. 하지만 장기적으로는 신재생에너지 기술 개발도 중요해졌다. 신재생에너지란 연료전지, 수소, 석탄 액화 및 가스화 등의 신에너지와 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오 등의 재생에너지를 아우르는 말이다. 이 중 태양광발전이나 태양전지라고 불리는 기술은 무한정 공급된다고 볼 수 있는 태양 에너지를 사용하며 신뢰도가 높고 유지비가 적다는 장점을 가지는 대표적인 재생에너지 기술이다.

양자역학의 출발점이 됐던 플랑크의 ‘흑체복사 이론’에 따르면, 물체는 전자파를 방출하는데 온도에 따라 전자파의 파장 분포와 세기가 달라진다. 태양은 표면온도가 섭씨 5500도로 300~1800nm(나노미터) 파장의 전자파를 방출하는데, 특히 가시광선(400~700nm)에서 최대 에너지를 낸다. 태양광시장은 2006년 이후 한때 연 85%에 이르는 폭발적 성장을 했으나 2010년 이후 유럽발 경제위기와 중국회사로 인한 공급 과잉으로 모듈 가격이 폭락하며 구조조정과 함께 침체기를 겪었다. 그러나 미국과 중국 시장이 크게 성장하며 연평균 16% 이상 지속적 성장을 하고 있다.

태양전지는 상용화 순서에 따라 1세대인 결정질 실리콘 태양전지, 2세대인 박막 태양전지, 3세대인 연료감응, 유기 태양전지 및 양자점, 플라스몬 이용 태양전지로 분류된다. 상용화된 태양광 모듈은 대부분 결정질 실리콘을 이용하며 일부 박막형이 쓰인다. 효율은 대개 20% 이하이다. 즉 태양전지에 비치는 태양광 에너지의 20% 이하만 전기로 바꿀 수 있다는 뜻이다.

이병호 서울대교수·전기정보공학

빛은 파동의 성질을 갖지만 입자의 성질도 갖는다. 그 입자를 광자(光子)라고 하는데, 이 광자를 반도체 내의 전자가 흡수하면서 전자와 정공 쌍이 생기는데 이들이 움직여 전류를 흘리게 된다. PN접합이라 불리는 하나의 반도체 구조에 대한 태양전지의 최대 효율의 이론적 한계치는 33.7%라는 것이 쇼클리와 퀘이서에 의해 일찌감치 지적됐다. 쇼클리는 트랜지스터를 만들어 노벨물리학상을 받은 사람으로 잘 알려져 있다. 최근 논문에서는 여러 가지 혁신적인 기법으로 40%대의 변환 효율이 발표되기도 했지만 실용화까지는 넘어야 할 산이 많다. 태양전지는 꼭 대전력 제공을 위해서만 연구되는 것은 아니다. 유기 태양전지는 인쇄나 잉크제트 등의 도포 공정으로 대면적으로 제조될 수 있는데 플라스틱 필름 위에도 입힐 수 있어 이동용 전자기기나 유연성 있는 착용형 전지로도 유망하다. 페로브스카이트를 이용해 만든 태양전지는 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 보이며 큰 주목을 받고 있다. 이 기술은 일본에서 시작됐지만 획기적 발전에는 우리나라 연구자들이 기여했고, 그 개발자인 국내 학자가 이번 노벨화학상 후보자로 외국 조사기관에서 거명된 바 있다.

전력 단위는 와트(W)이고 전력량 단위는 여기에 시간을 곱한 와트시(Wh)로서 에너지를 뜻한다. 우리나라 최대 규모인 영월 태양광발전소는 100만㎡에 40MW의 시설 용량을 갖추고 있다. 하루 평균 약 4시간 전력을 생산하고 있어, 1년에 약 58GWh의 전력량을 생산한다. 이는 지난해 우리나라 발전량의 0.01% 정도다.

태양광 발전은 천정 한계가 있는 기술이다. 쇼클리-퀘이서 한계를 극복해도 근본적으로 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율은 100%를 넘을 수 없다. 영월 태양광발전소에 사용된 태양전지 패널의 효율이 15%라면 이를 100% 효율 패널로 교체한다고 해도 15만㎡의 면적을 차지하게 된다. 태양광은 무공해 저비용의 대표적 에너지 생산기술이지만 근본적 한계가 있으므로 다른 발전기술과 함께 에너지 부담을 나눠 짊어져야 하는 기술이다. 한편으로 태양전지는 대전력 생산분야만이 아니라 4차 산업혁명과 관련된 모바일용, 웨어러블용 전원으로의 응용이 기대된다 하겠다.

이병호 서울대교수·전기정보공학