기 술

지구는 태양으로부터 충분한 에너지를 공급받고 있다. 태양 에너지를 활용하는 것은 공짜 에너지를 얻는 것이나 마찬가지이다. 우리가 사용하는 에너지 중 30% 이상이 전기 에너지이므로, 연료를 태워 전기를 생산하는 화력 발전 대신 햇빛을 직접 전기로 전환하는 기술은 주목할 만하다. 태양 전지는 태양의 빛 에너지를 전기로 전환하는 장치이다. 몇 개의 태양 전지로 계산기나 디지털시계에 충분한 전력을 공급할 수 있으며, 대규모 전력이 필요한 경우 태양 전지들을 정렬함으로써 전기를 다량 생산해 낼 수 있다.

태양 전지는 반도체로부터 만들어진다. 가장 대표적인 반도체는 규소(Si)이다. 보통은 규소 결정에 고정된 채 이동하지 못하던 원자가전자(原子價電子)*가 충분한 에너지를 흡수하면 규소 핵으로부터의 인력을 극복하고 자유롭게 이동하게 되어 전기를 전도할 수 있게 된다.

지각에 도달하는 태양 빛은 주로 가시광선과 적외선 영역이다. 이 중 가시광선 영역의 에너지로 규소의 원자가전자는 충분히 자유로워질 수 있다. 햇빛으로부터 에너지를 잡아 저장할 수 있는 태양 전지를 만들기 위해서는 발생된 전류를 조절할 수 있어야 하므로 하나의 물질이 아니라 몇 가지 물질을 혼합하여 만든다. 이를 위해 물질의 반도체 성질을 조절하는 일반적인 방법으로 규소에 소량의 다른 원소를 첨가하는 혼입 과정을 거친다. 즉, 전자의 이동을 촉진할 수 있는 갈륨(Ga)이나 비소(As)를 1ppm 정도 집어넣는다. 갈륨의 경우 4개의 원자가전자를 가진 규소보다 전자가 한 개 적어 3개이고, 비소는 한 개가 더 많아 5개이다. 따라서 이들 원소로 규소가 치환되면 치환된 만큼 전자가 부족하거나 여분의 전자를 가지게 된다.

비소가 첨가된 반도체의 경우 여분의 전자는 고체 결정을 구성하는 원자에 국한되지 않고 쉽게 이동할 수 있어 전기 전도가 가능해진다. 이러한 반도체를 n형 반도체라고 한다. 반면, 갈륨이 치환된 규소는 전자가 부족하게 되어 빈 전자 공간, 즉 정공이 생긴다. 정공으로 전자가 이동하면 전자가 떠난 자리에 새로운 정공이 생겨 결과적으로 전자의 이동 방향과 반대로 정공이 이동하는 셈이 된다. 이러한 반도체를 p형 반도체라고 한다.

태양 전지는 일반적으로 n형과 p형 규소 판의 2층 구조로 되어 있다. 두 반도체가 접촉하게 되면 전자는 n영역에서 p영역으로 확산되고, 정공은 반대로 이동한다. 이러한 현상이 반도체의 접합부에서 전압을 발생시키고, 반도체에 햇빛을 쬐면 전압 차로 인해 전자가 방출된다. 방출된 전자는 외부 회로를 통하여 전자가 상대적으로 많은 n형 반도체로부터 전자가 적은 p형 반도체로 흐르고, 전류는 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐른다. 이처럼 태양 전지는 전기 전도를 촉진할 뿐만 아니라 전류가 특정 방향으로만 흐르도록 한다. 태양 전지는 햇빛에 노출되어 있는 동안 전기를 생산하므로 결과적으로 태양이 그 동력을 제공하는 것이다.

 

*원자가전자 : 원자핵을 둘러싼 가장 바깥 껍질에 존재하는 전자.

◆ 2013년 10월 사설모의고사(중앙), 국어A 독서 영역 '기술' 지문

◆ 개요