태양광 자동차의 태양전지 원리

 

태양전지는 반도체의 성질을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치입니다.이 원리에 대한 설명으로 들어가기 전에 먼저 알아야 할 것은 전기의 흐름, 즉 전류는 결국 전자의 흐름이라는 사실입니다. 따라서 전기에너지를 생산하는 것은 전자의 흐름을 유도시킨다는 의미가 됩니다.

 

태양전지에 빛을 쪼였을 때 전기가 발생하는 반응은 두가지의 현상이 연속적으로 일어나는 것으로 설명 될 수 있습니다.

첫째는 전자가 발생되는 현상입니다.

 

둘째는 이렇게 생겨난 자유전자를 외부 회로로 내보내어 전기를 유도하는 과정입니다. 고체 내부에는 전자가 많이 존재합니다. 전자는 원자핵에 결합되어 있는 것과 고체 내부를 자유롭게 돌아다닐 수 있는 것으로 구분됩니다. 이 중에서 자유전자가 전기의 흐름을 담당하게 됩니다.

 

반도체는 대체로 전기를 잘 통하지 않는 물질입니다. 즉 자유전자를 많이 갖고 있지 않다는 뜻이지요. 반도체에 빛을 비추면 묶인전자가 빛 에너지를 받아서 자유전자 상태로 됩니다. 빛 에너지는 원자핵에 묶여 있던 전자가 결합을 끊고 자유롭게 되도록 힘을 보태주는 셈이 되지요. 그런데 이것 만으로는 전기를 얻을 수 없습니다.

 

자유전자가 외부회로에 도달하게 하기 위해서 필요한 것이 반도체 p-n접합입니다. 이것은 말 그대로 "p-형 반도체" 와 "n-형 반도체"를 붙여서 만듭니다. 이렇게 되면 접합 부분에 전기장이 생깁니다. 이것은 다른 말로 하면 접합 부분에 +극과 -극을 띤부분이 생긴다는 뜻이 됩니다.

 

지금 까지의 설명을 정리하면 빛을 반도체에 쪼이면 자유전자가 생겨나고 이자유전자들은 n형 반도체 쪽으로 끌려 넘어가게 됩니다. 이러면 n형 반도체쪽에 자유전자가 계속 쌓이게 됩니다. 이때 만약 반도체에 전기선이 연결 되었더라 면전자는 전기선을 통해 외부로 빠져나갈려고 할것입니다. 따라서 전기선을 통해 전자가흐를것이고,모터는 전기를 얻을 것입니다.

 

다음으로 태양전지로 전기를 생산할때의 전력비에 대해 설명해보자면

모든 에너지 변환 장치에 효율을 따지듯이 태양전지도 전기에너지를 얼마나 많이 생산하느냐를 나타내는 수치로서 효율을 표시합니다. 아래에 표시된 수식을 사용합니다.효율 (%) = (생산된 전력양) / (태양 빛 에너지) x 100

 

당연히 효율이 높은 태양전지를 만드는 것이 좋겠지요. 그러나 과연 태양전지로 전기를 생산한다면 전력비가 얼마나 될까를 따지려면 아무래도 경제적인 측면, 즉 태양전지를 제작하는데 얼마가 들어가느냐 하는 점도 생각해야합니다.

 

아무리 효율이 높은 태양전지라도 제작비가 너무 높으면 실용성이 없는 것이고 반대로 효율이 비교적 낮더라도 제작비가 저렴하면 경제성이 있는 겁니다. 아직은 어느 한가지가 경제성 면에서 확실히 우월하다는 점이 입증되지 않았기 때문에 현재 여러 가지 물질과 형태의 태양전지가 연구되고 있습니다. 크게 2가지의 태양전지가 있다.

 

1. 단결정 실리콘 태양전지

.단결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말합니다. 재료 내부의 원자 배열의 방향이 균일한 상태이므로 태양전지의 전력변환효율이 우수합니다.

 

2.다결정 실리콘 태양전지

다결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말합니다. 다결정 실리콘은 재료 내부의 원자가 규칙적으 로 배열되어 있는 방향이 서로 다른 부분으로 구성되어 있습니다. 따라서 원자 배열의 불연 속면이 존재하게 되고 이러한 불연속면 때문에 전력변환효율이 단결정에 비해 낮습니다.

 

태양전지의 원리로 인하여 전기가 생산되고 이 생산된 전기를 배터리에 저장하여 이 전기로 모터를 구동하여 자동차를 움직이는 방식입니다. 태양광 자동차의 장점은 태양에너지는 휘발유 같은 화석에너지에 비해 고갈하지 않는다는 장점이 있고 매연이 나오지 않기 때문에 친환경적입니다.반면 태양에너지는 비오는 날이나 밤, 즉 해가 뜨지 않을 때에는 사용할 수 없다는 단점이 있습니다. 

 

참고자료

국회도서관