태양전지를 이해하는 데 양자역학이 필요할까?

[기고] 태양전지의 작동 원리와 양자역학

2022.10.18 09:00 박지상

박지상 성균관대 나노과학기술원 조교수

최근 들어 지구 온난화 문제를 극복하기 위해 태양전지가 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 태양전지라고 하면 태양으로 인해 발생한 열이 아니라, 태양에서 온 빛을 이용하여 전기를 생산하는 장치를 말한다. 양자역학과 크게 관련이 없을 것 같지만, 놀랍게도 양자역학(quantum mechanics)이 처음 정립되기 시작한 20세기 초에 나왔던 이론들이 태양전지의 작동 원리를 이해하는 데 필수적이다.

 

태양이 방출하는 빛을 설명하기 위해 양자역학이 시작되었다

100여 년 전 과학자들은 태양에서 방출되는 빛이 어떤 분포를 갖는지 연구했었다. 쉽게 말해서 파란색 빛과 빨간색 빛이 각각 얼마나 많은지 그 비율을 연구했다는 의미다. 양자역학 이전의 물리학을 고전물리학이라고 하는데, 이에 기반한 레일리-진스 법칙(Rayleigh–Jeans law)으로 계산해보면 실제 실험으로 관측한 값보다 자외선 영역의 세기가 훨씬 더 강해야 한다.

자외선 파탄(ultraviolet catastrophe)이라고 불리는 이 문제는 고전물리학이 큰 문제를 내재하고 있음을 뜻한다. 막스 플랑크(Max Planck)는 양자(quantum)를 도입하여 태양에서 방출되는 빛의 분포, 다른 말로 스펙트럼을 잘 설명할 수 있었다. 플랑크는 양자가 이론적으로 필요한 도구일 뿐 물리적 실체가 아니라고 생각했지만, 후대 과학자들은 이 개념을 더 발전시켜 양자역학을 정립할 수 있었다.

 

빛은 물질 내 전자에 에너지를 전달할 수 있다

태양전지는 어떻게 빛을 흡수해서 전기 에너지를 얻을 수 있을까? 이에 대한 이론적 토대 역시 양자역학 초기에 나왔다. 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)은 금속에 빛을 쪼이면 전자가 튀어나오는 현상, 즉 광전효과를 설명하여 1921년 노벨물리학상을 받았다. 빛의 알갱이, 즉 광자(photon)가 높은 에너지를 가질 때 전자 하나를 금속 밖으로 튀어나오게 할 수 있다고 설명한 것이다.

그렇다면 금속을 이용해서 태양 에너지를 흡수하는 것은 어떨까? 하지만, 태양으로부터 온 빛의 대부분은 가시광선이나 적외선인데, 금속이 이들을 잘 반사하므로 금속을 우리가 흔히 말하는 태양전지에 쓰기에는 부적합하다.

그렇다면 금속이 아닌 물질은 어떨까? 실제로 태양전지에 쓰이는 물질을 살펴보기 전에 수소 원자를 한 번 이해해보자. 수소 원자는 양의 전하를 띄는 양성자 하나와 음의 전하를 띄는 전자 하나로 구성되어 있다. 물리학자들은 수소 원자에 빛을 쪼이면 특정한 색의 광자들만 흡수되는 현상을 발견했다. 바꿔 말해 특정한 에너지를 가진 광자만 전자에 에너지를 전달했다는 이야기다.

이를 일상생활에 비유하자면 우리(광자)가 가진 돈이 서울에서 부산까지 열차 요금과 정확하게 일치한다면 돈을 지불하고(전자에 에너지를 전달하고) 열차에 탑승할 수 있으나, 다르다면 탑승하지 못하는 상황과 같다. 이 현상을 설명하기 위해 닐스 보어(Niels Bohr)는 수소 원자에서 전자가 가질 수 있는 에너지가 계단처럼 불연속적이라고 제안하였다. 또한, 광자의 에너지가 전자가 가질 수 있는 에너지들 사이의 값을 가진다면 흡수될 수 있으나, 그렇지 않다면 흡수되지 못한다고 설명하였다.

 

태양전지는 많은 원자가 구성하는 반도체 물질이 쓰인다

수소 원자 하나에는 전자 하나만 있어 흡수할 수 있는 광자의 수가 매우 적다. 실제 태양전지에서는 많은 빛을 흡수하기 위해 수없이 많은 원자로 구성된 결정(crystal)을 사용한다. 다양한 물질이 시도되어왔지만, 주로 실리콘(silicon)이 사용되고 있다. 결정은 여러 원자로 구성되어 있기 때문에 전자들 역시 무수히 많을 것이다. 비유하자면 수소 원자는 건물 하나에 전자 하나만 있는 셈이고, 반도체에서는 아파트 단지에 수많은 전자가 있는 상황이라고 생각할 수 있다.

전자들은 낮은 곳을 좋아해서 낮은 층을 먼저 채우게 되며, 한 집에 여러 전자가 들어갈 수 없어 전자들의 에너지, 비유하자면 전자가 채운 아파트 층수 역시 다양할 수밖에 없다. 빛을 반도체 물질에 쪼여주면, 수소 원자에서와 마찬가지로 전자가 비어 있는 집으로 올라갈 수 있으며, 이렇게 에너지가 높아진 전자를 도선으로 끄집어내게 되면 우리가 가정에서 전기로 쓸 수 있는 것이다.

 

박지상 성균관대학교 나노과학기술원 조교수

 

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