환경 실험 : 태양전지의 효율 증진

 

1. 태양전지란?

  태양전지는 간단히 말해 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이며, p형 반도체와 n형 반도체로 이루어져 있습니다. 크게 태양전지의 핵심 원리는 2가지로 설명할 수 있을 것 같은데요, 그 중 먼저 설명드릴 하나는 p-n 접합입니다. p형 반도체와 n형 반도체가 맞닿아있는 부분을 p-n 접합(p-n junction)이라고 합니다. p-n 접합에서, 전기적 특성으로 인해 양공과 전자가 서로 반대쪽으로 이동하게 되고, 이로 인해 반도체 내부에 전기장이 형성됩니다. 그리고 다른 핵심 원리로는 광전효과가 있는데요, 광전효과란 물질 표면에서 한계 진동수 이상의 빛을 받으면 전자가 튀어나오는 현상을 말합니다. 태양전지가 빛을 받아 전자가 튀어나오게 되는데요, 이때 p-n 접합으로 인해 형성된 내부 전기장 때문에 전자를 원하는 방향으로 이동시킬 수 있게 됩니다. 전자의 이동이 있다는 것을 곧 전류의 생성으로 생각할 수 있겠지요? 정리하자면, 태양전지는 광전효과로 인해 튀어나온 전자를 p-n접합으로 만들어 낸 전기장으로 전류를 유도해내는 원리를 사용하여, 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어 내는 장치입니다.

2. 태양전지의 효율의 결정

  이번에는 태양전지의 효율이 어떻게 결정되는지 알아볼까요? 효율에 관한 요소를 온도와 태양광의 세기와 각도에 대해 이야기해 보겠습니다.

  우선 온도에 대한 이야기를 먼저 해 보겠습니다. 태양 전지의 온도가 높아질수록 효율은 보통 감소합니다. 높은 온도는 전지의 내부 저항을 증가시켜 전압 출력을 줄이고, 전체 출력의 감소로 이어집니다.

  다음은 태양광의 세기와 관련한 내용인데요, 태양광이 세면, 태양 전지 표면에 더 많은 빛에너지가 도달한다고 생각할 수 있습니다. 태양광이 강하면, 에너지 생산량도 증가한다고 생각할 수 있습니다. 하지만, 태양광이 태양전지에 도달하면, 어느 정도는 그 에너지가 열로도 변환될 수 밖에 없고, 결국 태양전지의 온도도 높아집니다. 그래서 태양광의 양과 그로 인해 발생하는 열에너지를 고려하면, 25도 정도에서 가장 효율이 높게 측정된다고 하네요.

  태양광의 각도 역시 중요합니다. 만약 강한 태양빛이 강하게 내리쬐지만, 그 각도가 89도라면 어떨까요? 실제로 사용되는 빛의 양은 매우 적을 것입니다. 이처럼, 태양광의 각도 역시 그 효율에 큰 영향을 줄 수 있는데요, 태양광의 각도가 90도일 대 가장 효율이 최고입니다.

  앞서 이야기한 요소들 정도로 큰 영향을 끼치지는 않지만, 습도, 먼지와 같은 대기 상태도 태양광의 산란을 유도할 수 있어 태양광의 세기를 낮춰 효율에 영향을 줄 수 있습니다.

3. 태양전지 효율 실험

  다음으로는 태양전지의 효율을 측정하는 실험에 대해 제안드려 보겠습니다. 우선은 여러분들이 과학실 같은 곳에서, 혹은 구입할 수 있는, 어쨌든 여러분들이 구할 수 있는 태양전지가 필요합니다. 그리고 전압과 전류를 측정할 수 있는 멀티미터가 필요하고요, 여러분들이 원하는 조건을 만들 수 있는 비교군들을 만들 수 있는 준비물들도 필요합니다. 저같은 경우는 온도를 중점으로 실험을 진행했었고요, 온도를 낮출 수 있는 다양한 방법들을 사용하면서 효율을 측정했습니다. 예를 들어, 태양전지 위에 물을 흘려보내면서 온도를 낮추는 방법이나, 수면 위에 태양전지를 설치한 후 효율을 측정하는 방법 등 여러분들이 원하는 방법들을 사용합니다. 이때, 온도와 관련한 요소 외에는 최대한 다른 조건들이 개입하지 않도록 조심하면서 실험을 진행하시면 됩니다.

  실제로 사용되고 있는 방법들을 응용하여 실험 조건을 설정하시는 것도 좋은 방법이 될 것 같습니다. 앞서 말씀드린 수면 위에 태양전지를 설치하는 것도 실제로 온도를 낮추기 위해 사용되는 방법이기도 한데요, 여러분들이 중심으로 두고 싶은 태양전지 효율의 요소를 잘 설정하셔서 관련된 정보를 찾아보신 뒤 방향을 잡아나가시면 휼륭한 생기부를 채워나가실 수 있을 것입니다.

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  제가 이번에 준비해 본 내용은 여기까지입니다. 다른 환경 관련 내용들도 궁금하시다면 위의 글에도 방문해주시면 감사할 것 같고요, 특히 가장 위에 있는 그린 수소 생산 실험은 태양전지와도 연계가 충분히 가능한 실험이니 참고해보시면 분명히 도움이 되시리라 생각합니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!