Beyond the Space

강심장의 인공위성을 만들기 위해서...(1)에 이어지는 포스트

지난번 포스트에 이어서 Multijunction Solar Cell(다중적층 태양전지)에 대해서 설명해야 하는데

그 전에 잠깐 배경 지식을 쌓아보도록 하자.

자신이 빛의 성질, 그리고 태양광의 성질에 대해서 안다고 생각한다면 아래 내용은 건너뛰기 바란다.


태양빛을 포함한 이 세상의 모든 '빛'은 파동의 성질을 가진다.

마치 바다에서 출렁이는 물결처럼 올라갔다 내려갔다 진동을 반복하면서 나아간다는 것이다.

(물론 빛은 입자이다. 하지만 일반인들의 이해를 돕기 위해 여기서는 파동이라고만 생각하자.)

이 때, 그 빛이 한 번 진동할 동안에 나아가는 거리를 빛의 파장이라고 부른다.

빛의 속도가 익히 아는 바와 같이 무지막지하게 빠르기 때문에 파장의 길이는 당연히 무척 짧을 것이고

일반적으로 수백 나노미터 단위가 된다.

그런데 태양빛은 셀 수 없을 정도로 많은 빛 줄기를 내뿜고 있으며 그 각각의 빛 줄기는 고유의 파장을 가지게 된다.

즉, 태양빛의 파장은 하나가 아니라 (안그래도 짧은데) 더 짧은 파장부터 더 긴 파장까지 넓게 분포해 있다는 것이다.

그리고 태양빛은 모든 파장에 대해서 일정한 세기로 방출되는 것이 아니라 파장에 따라 그 세기가 달라진다.

아래의 그림이 위에서 설명한 내용을 모아서 그림으로 나타낸 것이며 태양 스펙트럼이라고 부른다.



가로축이 파장이며 세로축이 해당 파장에서의 빛의 세기를 나타낸다. 당연히 높을 수록 세다.

이렇게 넓게 퍼져 있는 스펙트럼 중에서 약 400 나노미터부터 700 나노미터가 우리가 익히 보고 느끼는 가시광선이 되겠다.


자, 태양빛의 성질을 이해했다면 다시 태양전지로 돌아가보자.

일반적으로 태양전지의 성능은 변환 효율로써 나타내어 입사된 태양 에너지의 몇 %를 전력으로 변환하는지를 나타내지만 

실제로 태양전지가 태양빛의 모든 파장을 그 변환 효율 만큼 흡수해서 전력으로 변환시키는 것은 아니다.

즉, 태양전지를 구성하는 재질의 특성에 따라 특정 범위의 파장을 가지는 태양빛만을 흡수하고

나머지는 거의 흡수하지 못한하는 것이다. 이러한 성질을 파장에 따라 나타낸 것을 양자 효율(Quantum Efficiency)이라고 한다.


위에 보이는 그래프가 GaAs 태양전지의 양자 효율을 나타낸다.

즉, GaAs 재질의 태양전지는 500나노미터 부터 850나노미터의 빛에 대해서는 입사 에너지의 거의 90%를 흡수하지만

그 이외에는 효율이 낮거나 거의 흡수하지 못한다.

이것은 결국, 태양전지가 드넓은 태양빛 파장의 일부분만을 사용하고 있다는 의미이고

만일 사용할 수 있는 파장을 더 넓힌다면 태양전지의 효율은 더 높아질 수 있다는 것이다.

하지만, 재질이 가지는 물리적인 한계로 인해 하나의 재질이 원하는 만큼 넓은 파장을 커버하도록 만들기는 실질적으로 힘들었다.

그래서 개발자들은 500나노미터 이전이나 900나노미터 이후에서 높은 양자 효율을 가지는 재질은 가능할 지를 연구했고

게르마늄(Ge)와 인듐-갈륨-인 화합물(InGaP)이 바로 그 역할을 할 수 있다는 것을 알아내었다.

하나의 재질로 못한다면 여러 재질을 쓰면 그만이지 않는가?

그래서 등장한 것이 바로 다중적층 태양전지(Multijunction Solar Cell)이다.

즉, 여러 재질을 순서대로 적층하여 버리는 파장이 없이 가능한한 넓은 파장에서 태양빛을 흡수하게 만든 것이다.

 

위의 왼쪽 그림이 다중적층 태양전지의 개념을 나타내며 오른쪽이 3중 접합시의 태양전지 양자 효율을 보여준다.

이 다중적층 태양전지는 20% 근처에서 머물던 GaAs 태양전지의 효율을 30%근방까지 끌어올린다.

그리고 현재까지 이 다중적층 태양전지는 인공위성에 상당히 널리 사용되고 있다.


한편, 태양빛의 넓은 파장을 이용하는데 있어서 다중적층만이 유일한 해결책은 아니라는 것이 알려지기 시작했다.

그것은 양자 점(Quantum Dot)이라는 나노 물질의 성질로 눈길을 돌리면서 부터였다.