태양전지는 어떻게 전기를 만들까

모형이 보여 주는 것

햇볕이 드는 지붕 위 태양광 패널을 보고 있으면 아무 일도 일어나지 않는 것처럼 보입니다. 소리도 나지 않고, 돌아가는 부품도 없고, 닳아 없어지는 연료도 없습니다. 그런데 패널 뒤에서 나온 전선은 벽의 상자로 이어지고, 그 상자에서 나온 전기로 전기 주전자의 물이 끓습니다. 이 전시는 주전자에서 거꾸로 전기를 따라가 처음 시작되는 곳, 유리 아래 손톱보다 얇은 실리콘 층까지 들어가 봅니다.

왼쪽에는 평지붕 집이 있고, 기울기를 바꿀 수 있는 받침대 두 줄에 패널 열 장이 놓여 있습니다. 검은 전선이 패널의 직류를 앞벽을 따라 인버터로 내려보내고, 두 번째 전선이 계량기를 지나 집 뒤의 전봇대로 이어집니다. 해는 남쪽 하늘의 정오 궤도를 따라 움직이고 그림자도 함께 움직입니다. 앞줄 오른쪽 끝 패널은 자세히 들여다보는 패널입니다. 층별로 분해할 수 있고, 아래에 바이패스 다이오드가 든 접속함이 있으며, 셀 하나 위에 나뭇잎을 올릴 수 있습니다.

오른쪽에는 셀 하나의 단면을 수천 배 넘게 키워 띄워 놓았습니다. 위에서부터 은 전극, 작은 피라미드 모양으로 깎은 표면 위의 짙은 파란색 막, 얇은 n형 층, 고정된 이온과 전기장이 있는 접합, 두꺼운 p형 바탕층, 뒷면의 알루미늄 층이 차례로 보입니다. 색깔 있는 줄이 광자입니다. 광자가 흡수되면 파란 전자와 빨간 정공이 하나씩 남고, 전기장이 둘을 갈라놓습니다.

표시창에는 패널에 닿는 빛, 셀 온도, 잎이 올라간 패널의 출력, 인버터를 지나기 전과 후의 어레이 전체 출력, 그늘진 셀의 발열이 나옵니다. 작은 그래프는 패널 한 장의 전압에 따른 출력이고, 빨간 점이 지금 일하는 자리입니다. 옅은 점선은 같은 패널이 1,000 W/m², 25 °C일 때의 곡선이라 비교해 볼 수 있습니다. 슬라이더로 해의 높이, 받침대 기울기, 셀 온도, 잎이 셀 하나를 덮는 비율을 바꿉니다. 스위치 하나로 바이패스 다이오드를 뺄 수도 있습니다.

모형의 패널은 흔히 쓰는 60셀 패널이고, 셀은 한 변 156.75 mm인 M2 규격입니다. 전기적 성질은 다이오드 하나로 셀을 나타내는 모형으로 계산했고, 값은 보통의 단결정 패널에 맞췄습니다. 1,000 W/m², 25 °C에서 307 W를 내며, 넓이 1.63 m²에 닿는 햇빛의 18.8 %입니다. 모형에서 단순하게 한 부분은 글에서 따로 밝힙니다.

실리콘 한 조각에 든 두 가지 실리콘

순수한 실리콘은 전기가 잘 통하지 않습니다. 원자마다 바깥 전자 네 개를 이웃 원자 네 개와 나눠 갖고 있어서, 상온에서는 풀려나는 전자가 아주 적습니다. 셀을 만들 때는 일부러 이 성질을 바꿉니다. 얇은 윗층에는 인(P)을 조금 넣습니다. 인은 바깥 전자가 다섯 개라서 원자 하나마다 결정 속을 돌아다닐 수 있는 남는 전자가 하나씩 생깁니다. 이 층을 음(negative)의 머리글자를 따서 n형이라고 부릅니다. 두꺼운 바탕층에는 붕소(B)를 넣습니다. 붕소는 바깥 전자가 세 개뿐이라 원자마다 결합에 빈자리가 하나 생깁니다. 옆의 전자가 그 빈자리로 건너뛰면 빈자리가 다른 곳으로 옮겨 가므로, 빈자리가 마치 양전하를 띤 알갱이처럼 움직입니다. 이것을 정공이라 하고, 이 층을 p형이라고 합니다.

두 층을 붙이면 경계에서 바로 변화가 일어납니다. n쪽의 남는 전자가 p쪽으로 넘어가 정공을 메웁니다. 그러면 경계 근처의 인 원자는 전자 하나가 모자라 움직이지 못하는 양이온이 되고, 경계 건너편의 붕소 원자는 전자 하나가 남아 음이온이 됩니다. 모형에서 +, − 표시가 붙은 빨간 공과 파란 공이 이 이온입니다. 결정의 일부라서 움직일 수 없습니다.

자유 전자와 정공이 빠져나간 이 띠를 공핍층이라고 합니다. 양이온과 음이온 사이에는 전기장이 생기고, 모형에서는 n쪽에서 p쪽을 가리키는 주황색 화살표로 나타냈습니다. 이 전기장이 더 많은 전자가 건너가는 것을 막아 접합은 균형을 이룹니다. PVEducation의 pn 접합 형성 항목이 이 균형을 설명합니다. 전하를 갈라놓는 일은 접합이 맡고, 단면의 나머지 부분은 접합까지 빛을 들여보내고 갈라진 전하를 밖으로 내보내는 일을 합니다.

광자 하나가 전자를 풀어 주기까지

빛은 광자라는 에너지 덩어리로 옵니다. 실리콘 결합에서 전자를 떼어 내려면 광자가 실리콘의 띠틈 에너지인 1.12 eV 이상을 가져야 합니다. 파장으로는 약 1,107 nm로, 근적외선입니다. 이보다 파장이 긴 광자는 셀을 그냥 지나갑니다. 파장이 짧은 광자는 전자를 풀어 주고, 남는 에너지는 곧바로 열이 됩니다. 450 nm의 파란 광자는 2.76 eV를 가지므로 약 1.64 eV가 결정 속 열로 사라집니다.

광자가 흡수되는 깊이는 색에 따라 다릅니다. 파란빛은 표면 바로 아래, 1 μm도 안 되는 깊이에서 흡수됩니다. 빨간빛과 근적외선은 훨씬 깊이 들어가서야 흡수됩니다. 모형에서도 파란 줄은 n층에서, 초록 줄은 바탕층 윗부분에서, 빨간 줄은 그보다 아래에서 멈춥니다.

흡수된 광자는 움직일 수 있는 전자 하나와 그 전자가 있던 자리의 정공 하나를 남깁니다. 아무것도 둘을 떼어 놓지 않으면 제멋대로 돌아다니다가 결국 전자가 정공으로 다시 떨어집니다. 이것을 재결합이라고 하고, 에너지는 열이 됩니다. 그래서 p형 바탕층에서 생긴 쌍은 재결합하기 전에 접합까지 퍼져 나가야 합니다. 공핍층 가장자리에 닿으면 그때부터는 전기장이 일을 합니다. 전자는 위의 n층으로 끌어올리고 정공은 아래 바탕층으로 밀어 냅니다. 모형의 흰 반짝임은 접합까지 오지 못한 쌍이고, 셀이 뜨거울수록 더 자주 보입니다.

전기장이 쌍을 전류로 바꿉니다

갈라진 전자는 n층에, 정공은 p층에 모입니다. 그러면 셀의 앞뒤 사이에 전압이 생깁니다. 앞면과 뒷면을 전선으로 이으면 전자가 앞면의 가는 은 핑거로 빠져나가 리본을 지나고, 부하를 거쳐 뒷면 알루미늄으로 돌아와 그곳에 기다리던 정공을 메웁니다. 모형 전선 위의 파란 점이 이 흐름입니다. 빛이 많이 들어올수록 쌍이 많이 생기고 전류도 커집니다.

셀 하나의 전압은 작습니다. 모형의 셀은 아무것도 연결하지 않았을 때 약 0.68 V, 최대 출력점에서는 0.55 V이고, 이때 9.26 A로 5.12 W를 냅니다. 그래서 패널은 셀 60장을 직렬로 잇습니다. 전압이 더해져 최대 출력점에서 33.2 V, 부하가 없을 때 40.8 V가 됩니다.

핑거는 가늘어야 합니다. 은이 빛을 가리기 때문입니다. 동시에 촘촘해야 합니다. n층이 얇아서 전자가 옆으로 흐를 때 저항이 크기 때문입니다. 그래서 셀 위에 가는 선을 빗살처럼 긋고, 넓은 버스바 세 줄로 모읍니다. 모형의 패널에서도 두 가지가 다 보입니다.

셀이 짙은 파란색인 까닭

맨 실리콘을 매끈하게 갈면 은회색으로 번쩍이고 빛을 많이 반사합니다. 굴절률이 약 3.9라서, 평평한 실리콘 표면은 정면으로 들어온 빛의 약 35 %를 되돌려 보냅니다. 이를 줄이는 방법이 두 가지 있습니다. 먼저 표면을 작은 피라미드 모양으로 깎습니다. 한 면에서 튄 빛은 대개 옆 면을 향하므로 한 번 더 들어갈 기회를 얻습니다. 다음으로 표면에 투명한 얇은 막, 흔히 질화규소를 입힙니다. PVEducation은 4분의 1 파장 막의 원리를 이렇게 설명합니다. 막 윗면에서 반사된 빛과 아래 실리콘에서 반사된 빛이 반 파장 어긋나 돌아오면서 서로 지웁니다. 굴절률 2.0인 막과 600 nm 빛이라면 알맞은 두께는 600 ÷ (4 × 2.0) = 75 nm입니다. 스펙트럼 가운데쯤에서 가장 잘 지워지고, 조금 돌아 나오는 빛은 주로 파란색입니다. 그것이 태양전지의 색입니다.

셀에서 패널로

패널은 셀을 여러 겹으로 감싸 수십 년 동안 비바람을 막습니다. 맨 위에 강화유리가 있고, 투명한 수지가 셀을 유리에 붙이며, 흰 백시트가 뒤를 막습니다. 알루미늄 틀이 이 샌드위치를 붙잡습니다. 안내의 두 번째 단계를 열면 오른쪽 패널이 층별로 들려 올라가 겹겹의 구조가 보입니다.

셀 60장은 직렬로 이어져 있고 20장씩 세 묶음으로 나뉩니다. 묶음마다 뒷면 접속함에 바이패스 다이오드가 하나씩 있습니다. 햇빛이 고르면 다이오드는 아무 일도 하지 않습니다. 셀 하나가 그늘질 때 쓸모가 생기며, 그늘을 다루는 절에서 자세히 설명합니다.

해의 각도와 코사인 법칙

햇빛의 세기는 먼저 빛이 지나오는 공기의 양에 달려 있습니다. PVEducation은 직사광에 대해 I = 1,353 × 0.7^(AM^0.678) W/m²라는 간단한 식을 제시합니다. 여기서 AM(대기 질량)은 해가 바로 머리 위에 있을 때와 비교한 대기 속 빛의 경로 길이입니다. 모형은 대기 질량을 카스텐-영 식으로 계산하고, PVEducation이 맑은 날의 값으로 제시한 대로 직사광의 10 %를 하늘의 산란광으로 더합니다. 해가 머리 위에 있으면 직사광은 947 W/m²입니다. 30°에서는 766 W/m², 10°에서는 431 W/m²밖에 되지 않습니다. 빛이 5.6배나 많은 공기를 지나오기 때문입니다.

두 번째는 빛이 패널에 닿는 각도입니다. 정면에서 θ만큼 비스듬히 들어온 빛은 더 넓은 면에 퍼지므로 제곱미터당 세기가 cos θ배로 줄어듭니다. 이것이 코사인 법칙입니다. 패널이 해가 있는 방위를 향하고 있다면 θ는 90°에서 해의 높이와 기울기를 뺀 값이고, cos θ는 sin(해의 높이 + 기울기)와 같습니다.

모형에서 나온 값 몇 가지입니다.

29° 줄은 북위 37.6°인 서울의 겨울 정오입니다. 서울의 정오 해 높이는 12월 약 29°에서 6월 약 76°까지 바뀝니다. 30° 안팎으로 고정한 기울기는 한 해 전체를 놓고 고른 타협입니다. 6월에 해가 76°로 높이 떠도 33° 받침대는 975 W/m²를 받습니다. 각도가 19°이고 코사인은 아직 0.95이기 때문입니다. 코사인은 0° 근처에서는 너그럽고 멀어질수록 가혹해서, 평평하게 눕힌 패널은 겨울에 많이 손해를 봅니다.

뜨거운 패널은 덜 만듭니다

열은 셀의 전압을 낮춥니다. 셀이 데워지면 열만으로 생기는 전자와 정공이 늘어나고, 접합을 거꾸로 새는 전류도 많아집니다. PVEducation에 따르면 실리콘의 개방 전압은 1 °C마다 약 2.2 mV씩 떨어지고, 출력은 1 °C마다 0.4 %에서 0.5 %씩 줄어듭니다. 모형은 1 °C당 2.2 mV, 전류는 1 °C당 0.05 % 증가로 계산했고, 결과적으로 1 °C마다 출력이 0.40 %씩 줄어듭니다.

25 °C에서 패널은 307 W를 냅니다. 45 °C에서는 282 W, 65 °C에서는 257 W로 16 % 줄고, 최대 출력점 전압도 33.2 V에서 27.8 V로 내려갑니다. 추우면서 맑은 0 °C의 날에는 같은 패널이 338 W를 냅니다. 햇볕을 받는 패널은 주변 공기보다 훨씬 뜨겁습니다. PVEducation의 공칭 작동 셀 온도 항목에 따르면 빛 800 W/m², 기온 20 °C, 약한 바람 조건에서 보통 패널의 셀 온도는 48 °C입니다. 여름 출력이 표시 출력보다 대개 낮은 까닭입니다.

나뭇잎 한 장과 바이패스 다이오드

그늘은 가린 넓이보다 훨씬 큰 손해를 줍니다. 셀 60장에는 같은 전류가 흐릅니다. 하나를 가리면 그 셀이 만드는 빛 전류는 줄지만, 나머지 59장은 여전히 전체 전류를 그 셀로 밀어 넣습니다. 그늘진 셀은 그 전류를 정방향으로 흘리지 못하므로 역방향 전압이 걸리고, 전기를 만드는 대신 먹어 버립니다. PVEducation이 경고하는 열점(hot spot)이 이것입니다.

바이패스 다이오드는 전류에 다른 길을 열어 줍니다. 다이오드 하나가 셀 20장 묶음에 나란히 붙어 있습니다. 묶음 안의 셀이 그늘져 묶음 전압이 약 −0.45 V 아래로 내려가려 하면 다이오드가 켜지고 전류 대부분이 옆으로 돌아갑니다. 그 묶음은 빠지고 패널은 나머지 3분의 2로 계속 일합니다.

25 °C 맑은 날에 잎이 셀 한 장을 다 덮으면 모형은 다음 값을 냅니다. 다이오드가 있으면 그늘진 패널은 21.7 V에서 200 W를 냅니다. 그늘진 묶음에는 2.6 A만 흐르고 6.7 A는 다이오드로 돌아가며, 그늘 셀의 발열은 34 W입니다. 다이오드가 없으면 패널은 163 W를 내고, 줄 전체의 전류 9.2 A가 그늘 셀로 억지로 흘러듭니다. 그 셀은 역방향 항복 전압에 걸려 139 W의 열을 냅니다. 몇 제곱센티미터에서 이만한 열이 나면 유리가 깨지거나 백시트가 그을릴 수 있습니다.

패널 열 장은 하나의 직렬 줄로 이어져 있어서, 잎 한 장이 나머지 아홉 장에도 영향을 줍니다. 인버터는 줄 전체가 가장 큰 출력을 내는 전압을 찾습니다. 모형에서 줄은 잎이 없을 때 3.07 kW, 잎이 있고 다이오드가 있을 때 2.96 kW, 다이오드가 없을 때 2.92 kW를 냅니다. 셀을 일부만 가린 경우는 따로 볼 만합니다. 30 %를 가리면 다이오드가 막 켜지기 시작할 뿐이라 셀에는 여전히 큰 역방향 전압이 걸리고, 다이오드가 있어도 발열이 101 W에 이릅니다. 전봇대나 나뭇가지가 셀 일부를 가리는 그늘이 열점의 원인으로 꼽히는 까닭입니다.

지붕에서 전기 주전자까지

패널은 직류를 만듭니다. 집과 전력망은 교류를 씁니다. 미국 에너지부는 인버터를 이 변환을 맡는 장치로 설명합니다. 인버터는 일을 하나 더 합니다. 줄의 동작 전압을 계속 바꿔 가며 최대 출력점을 찾습니다. 그래프의 빨간 점이 그 자리입니다. 모형의 인버터는 3 %를 잃고, 집은 늘 0.5 kW를 씁니다. 정오 설정에서 어레이는 직류 3.07 kW를 만들고, 인버터는 220 V 교류로 2.97 kW를 내보내며, 집이 0.5 kW를 쓰고 2.47 kW가 계량기를 지나 나갑니다.

줄 하나에 인버터 하나를 다는 방식이 가장 간단하지만, 줄 전체가 전류 하나를 나눠 쓰므로 패널 한 장의 문제가 다른 패널의 출력까지 깎습니다. 미국 에너지부 자료는 패널마다 붙이는 마이크로인버터도 소개합니다. 값은 더 비싸지만 그늘진 패널 하나가 나머지를 끌어내리지 않습니다.

셀의 효율은 어디까지 오를까

접합이 하나인 셀에는 피할 수 없는 손실이 있습니다. 띠틈보다 에너지가 작은 광자는 아예 흡수되지 않고, 큰 광자는 남는 에너지를 열로 잃습니다. 쇼클리와 콰이서가 1961년에 접합 하나로 얻을 수 있는 최대 효율을 계산했습니다. 표준 AM1.5 스펙트럼으로 다시 계산한 뤼레(Rühle)의 2016년 표에서 최댓값은 띠틈 1.34 eV에서 33.16 %입니다. 실리콘의 1.12 eV는 최적값보다 조금 낮고, 같은 방식으로 계산한 한계는 33 % 가까이입니다. 실제 실리콘에서는 오제 재결합도 일어나는데, 이 이상적인 값에는 들어 있지 않습니다.

실제 셀의 기록은 미국 국립로키산맥연구소(NLR, 옛 NREL)가 「최고 연구용 셀 효율 차트」로 관리하며, 독립 시험 기관이 확인한 결과만 싣습니다. 차트의 자료표에서 결정질 실리콘 셀의 최고 기록은 트리나 솔라가 2026년 3월에 측정한 이종접합 후면전극 셀의 28.1 %입니다. 실리콘 위에 페로브스카이트 층을 올린 셀은 35.2 %(롱기, 2026년 2월)로 단일 접합 한계를 넘습니다. 접합 두 개가 스펙트럼을 나눠 맡기 때문입니다. 차트에서 가장 높은 값은 집광한 빛 아래에서 잰 프라운호퍼 ISE의 4중 접합 셀 47.6 %입니다. 연구용 셀은 작고 정성껏 만든 것이고, 모형 패널의 18.8 %는 지붕 위 패널에서 흔한 값입니다.

모형에서 단순하게 한 것

• 「태양 고도」 슬라이더는 해를 정오의 정남쪽에 두고 패널도 그쪽을 향하게 합니다. 「해와 하루」 탭은 날짜와 시각에 맞춰 해를 실제 위치로 옮기지만, 하늘 모형은 같습니다.
• 하늘은 늘 맑습니다. 구름, 연무, 먼지가 없고, 산란광은 직사광의 10 %로 고정했습니다.
• 셀 온도는 슬라이더로 정합니다. 실제 셀은 빛을 받으면 데워지고 바람이 불면 식습니다.
• 패널 열 장의 셀이 모두 똑같습니다. 실제 패널은 몇 % 차이가 나고, 그만큼 줄의 출력이 조금 줄어듭니다.
• 해가 아주 낮을 때 유리 표면에서 늘어나는 반사를 넣지 않아, 그때는 모형 값이 실제보다 큽니다.
• 단면은 실제 비율이 아닙니다. 실제 셀은 두께가 약 0.2 mm, n층은 1 μm도 안 되고 공핍층은 그보다 더 얇습니다. 광자, 전자, 정공은 상징으로 그린 것이고, 햇빛을 정면으로 받는 실제 셀은 1초에 약 6×10¹⁹개의 전자를 회로로 내보냅니다.
• 인버터 손실은 3 %로 고정했고, 집의 사용 전력은 늘 0.5 kW입니다.

벨 연구소에서 지붕 위까지

미국물리학회가 정리한 태양전지의 역사는 1839년에서 시작합니다. 에드몽 베크렐이 용액에 담근 금속 전극에 빛을 비추자 작은 전류가 흐르는 것을 보았습니다. 1883년 찰스 프리츠가 셀레늄으로 첫 태양전지를 만들었지만, 빛의 1 %도 전기로 바꾸지 못했습니다. 1954년 4월 벨 연구소의 대릴 채핀, 캘빈 풀러, 제럴드 피어슨이 처음으로 쓸모 있는 실리콘 태양전지를 공개했습니다. 효율은 약 6 %였고, 장난감 관람차와 라디오 송신기를 움직였습니다. 몇 년 지나지 않아 실리콘 셀은 인공위성의 전원이 되었습니다. 이 모형의 셀도 1954년의 셀과 같은 원리인 n형과 p형 실리콘의 접합으로 움직이고, 그 위에 70년 동안의 개선이 쌓였습니다.

400 W 패널의 하루 발전량 계산

와트는 한순간의 전력이고, 킬로와트시는 일정 시간 쌓인 에너지입니다. 정격 400 W라고 해 뜰 때부터 질 때까지 400 W가 나온다는 뜻은 아닙니다. 계산 예로 서울의 남향 지붕에서 패널 면에 하루 3.5 kWh/m²의 일사량이 들어온다고 가정합니다. 서울의 실측 연평균이나 예보가 아닌 교육용 가정값입니다. 기준 일사강도 1 kW/m²로 나누면 등가 최대 일사 시간은 3.5시간입니다. 시간마다 다른 햇빛을 에너지 총량으로 환산한 값이며, 해가 떠 있는 시간을 뜻하지 않습니다.

손실 전 발전량은 0.400 kW × 3.5 h = 1.40 kWh입니다. 별도의 가상 현대식 패널에 출력 온도 계수 −0.35 %/°C를 가정합니다. 이 계수는 계산 예에만 해당하며, 약 −0.40 %/°C로 반응하는 전시의 307 W 패널과는 다릅니다. 기준 25 °C 대신 셀 온도가 45 °C라면 온도 보정 계수는 1 − 0.0035 × (45 − 25) = 0.93입니다. 직류 발전량은 1.40 × 0.93 = 1.302 kWh가 됩니다. 전시에서 가정한 인버터 효율 97 %를 적용하면 교류 발전량은 1.263 kWh, 반올림하여 1.26 kWh입니다.

이 계산은 하루 내내 셀 온도가 같다고 가정하고 배선과 먼지 손실을 생략합니다. 실제로는 일사강도와 온도가 함께 바뀌므로 시간별 기상 자료로 계산하는 편이 낫습니다. 패널 효율을 다시 곱하면 안 됩니다. 정격 400 W에 이미 빛을 전기로 바꾸는 효율이 포함되어 있기 때문입니다. 실제 서울 설치 장소를 계산하려면 3.5 대신 관측 기간과 위치가 명시된 패널 경사면 일사량을 넣고 제조사의 온도 계수를 써야 합니다. 기상 관측소의 수평면 일사량이 경사진 지붕의 일사량과 같은 것은 아닙니다.

탠덤은 반사 방지막과 다릅니다

전시에 보이는 파란 반사 방지막은 태양전지 한 장을 더 얹은 것이 아닙니다. 반사는 줄이지만 별도의 전류를 모으지는 않습니다. 페로브스카이트와 실리콘을 쌓은 탠덤에는 자체 접합을 갖춘 광흡수층이 추가됩니다. 위층은 에너지가 높은 광자를 쓰고, 에너지가 낮은 빛은 아래 실리콘으로 통과시킵니다. 서로 다른 띠틈이 스펙트럼을 나눠 맡아 단일 접합에서 생기는 열 손실을 줄입니다.

미국 에너지부는 금속 할로겐화물 페로브스카이트를 조성을 바꿀 수 있는 박막 흡수체로 설명합니다. 빛을 잘 흡수하므로 실리콘과 조합하기 좋지만, 층을 쌓는 것만으로 끝나지는 않습니다. 직렬로 연결한 탠덤에서는 두 하부 셀에 같은 전류가 흘러야 합니다. 위층이 아래층에 필요한 빛까지 너무 많이 흡수하면 아래층의 전류가 부족해집니다. 투명 전극도 빛을 많이 낭비하지 않으면서 전류를 흘려야 합니다.

따라서 연구실 효율 기록은 지붕에 설치할 제품의 준비 상태와 구별해야 합니다. 효율을 비교하기 전에 빛을 받은 면적과 집광 여부를 확인해야 합니다. 포장과 장기 안정성도 중요합니다. 미국 에너지부는 페로브스카이트의 내구성과 대량 생산 확대를 계속 해결해야 할 과제로 꼽습니다. 연구용 셀 차트는 정해진 조건에서의 변환 성능을 비교하며, 거기 실린 모든 기술이 수십 년 동안 야외에서 같은 성능을 유지한다고 인증하지 않습니다.

보증이 끝나는 날 패널이 멈추지는 않습니다

흐린 하늘에서도 산란광이 들어오지만, 구름이 두꺼우면 출력이 크게 줄 수 있습니다. 이 전시의 맑은 하늘 조작으로 특정 흐린 날을 재현할 수는 없습니다. 태양 고도를 낮추면 빛이 지나는 대기 두께와 입사각이 함께 바뀌므로 구름의 불투명도를 조절하는 것과 다릅니다. 셀 온도도 날씨가 아니라 전기적 반응을 바꿉니다. 지역 예보를 재현하기보다 서로 다른 원인을 비교하는 조작으로 써야 합니다.

노화는 더운 오후의 출력 저하와 다릅니다. 온도 때문에 줄어든 출력은 셀이 식으면 상당 부분 회복됩니다. 장기 열화에는 봉지재나 전기 접속부의 손상 등이 관련될 수 있으며 저녁이 된다고 되돌아가지 않습니다. NLR의 태양광 수명 연구는 패널의 연간 성능 손실이 흔히 1 % 미만이지만, 초기에는 변화가 작아 측정 불확도와 구별하기 어렵다고 설명합니다. 모든 패널과 기후에서 보장되는 열화율은 아닙니다.

계산만을 위한 예로 해마다 성능의 0.995를 유지한다고 가정합니다. 25년 뒤 같은 시험 조건의 출력은 0.995^25 ≈ 0.882, 처음의 88.2 %입니다. 실제 노화가 이 곡선을 그대로 따르지는 않으며, 갑작스러운 부품 고장과 점진적인 열화도 다릅니다. 출력 보증은 계약 조건을 정할 뿐 실리콘을 꺼 버리는 타이머가 아닙니다. 인버터를 교체한다고 패널 전부를 함께 교체해야 하는 것도 아닙니다.

화면에서 비교할 세 가지 조건

먼저 태양 고도 60°, 패널 기울기 30°, 셀 온도 25 °C, 셀 하나를 덮은 잎 0 %로 맞추고 바이패스 다이오드를 켭니다. 패널은 직사광을 정면으로 받습니다. 패널 기울기만 0°로 바꾸고 모듈 출력을 비교합니다. 태양 고도가 그대로이므로 대기층이 두꺼워진 것은 아닙니다. 차이는 주로 패널의 방향에서 생깁니다. 겨울 조건은 태양 고도 29°, 패널 기울기 61°로 비교합니다. 61°는 빛이 패널에 정면으로 닿는 기하학적 최적값입니다.

다음으로 처음 각도를 복원하고 셀 온도 25 °C와 65 °C를 비교합니다. 전압에 따른 모듈 출력 곡선이 낮은 전압 쪽으로 이동합니다. 마지막으로 25 °C를 복원하고 셀 하나를 덮은 잎으로 셀 전체를 가린 뒤 바이패스 다이오드를 껐다 켭니다. 모듈 출력과 그늘 셀 발열을 함께 비교합니다. 출력을 회복했다고 그늘 셀이 차가워지는 것은 아닙니다. 가림 비율 30 %에서도 비교합니다. 바이패스 보호는 위험을 줄이지만 모든 그림자를 무해하게 만들지는 않습니다.

전력 곡선 위의 언덕 두 개

조작 탭의 「I-V 실험대」를 열면 연구실에서 패널을 재는 방식 그대로 시험할 수 있습니다. 검은 선은 전압에 따른 전류입니다. 아무것도 연결하지 않으면 패널은 개방 전압에 머뭅니다. 25 °C에서 햇빛을 정면으로 받을 때 40.8 V이고, 전류는 흐르지 않습니다. 두 전선을 맞붙이면 0 V에서 9.8 A가 흐릅니다. 전력은 전압과 전류의 곱이라 어느 쪽 끝에서도 전력은 0입니다. 주황 선이 그 곱입니다. 0에서 올라가 33.1 V에서 307 W로 가장 높아졌다가 40.8 V에서 가파르게 0으로 떨어집니다. 이 꼭대기가 최대 전력점입니다. 충진율은 이 값을 40.8 V × 9.8 A 직사각형과 비교한 것으로, 307 ÷ 400 ≈ 0.77입니다. PVEducation은 충진율을 I-V 곡선이 얼마나 네모난지 나타내는 값이라고 설명합니다.

인버터는 꼭대기가 어디인지 모릅니다. 직접 시험해 찾아야 합니다. 가장 간단한 방법이 교란·관측(P&O)입니다. 전압을 조금 바꿔 보고, 전력이 올랐으면 같은 쪽으로 계속 가고, 내려갔으면 방향을 바꿉니다. 실험대의 추적기는 많은 인버터가 아침에 하듯 개방 전압 바로 아래에서 출발하고, 그 전압의 1.2 %씩 움직입니다. 깨끗한 패널에서는 언덕 하나를 올라 꼭대기에서 앞뒤로 흔들립니다.

잎이 언덕 모양을 바꿉니다. 셀 하나의 60 %를 덮으면 그 셀이 속한 20장 묶음은 전체 전류를 흘리지 못합니다. 약 3.9 A 아래에서는 그늘 셀도 따라가므로 곡선 오른쪽은 거의 그대로입니다. 그보다 큰 전류에서는 그늘 셀에 역전압이 걸리다가 그 묶음의 바이패스 다이오드가 켜지고, 그때부터 패널은 셀 3분의 2로만 일합니다. 전력 곡선이 더는 언덕 하나가 아닙니다. 오른쪽에서 오면 첫 봉우리는 38.7 V의 151 W이고, 가장 높은 봉우리는 왼쪽 21.6 V의 200 W입니다. 오른쪽에서 출발한 추적기는 처음 만난 봉우리를 올라 거기서 멈춥니다. 151 W에서 어느 쪽으로 조금 움직여도 전력이 줄기 때문입니다. 「전 구간 탐색」을 누르면 실험대가 0 V부터 40.8 V까지 모든 전압을 시험한 뒤 추적기를 더 높은 언덕으로 옮깁니다. PVEducation의 「Mismatch Effects」 쪽은 그 까닭을 이렇게 설명합니다. 직렬로 이은 셀에서는 출력이 가장 낮은 셀이 나머지 모두를 제한합니다.

실험대를 「10장 직렬」로 바꾸면 같은 잎이 거의 드러나지 않습니다. 바이패스로 건너뛴 20장 묶음은 줄 전체 300장 가운데 30분의 1뿐이라, 줄의 곡선에는 약 2.96 kW의 언덕 하나만 남습니다. 모형은 셀 하나만 가릴 수 있지만, 실제 지붕에서 여러 패널이 서로 다르게 그늘지면 줄에도 언덕이 여러 개 생길 수 있습니다.

「셀 1장」 보기는 연구용 셀 기록에 쓰는 단위인 cm²당 mA로 전류 밀도를 그립니다. 모형 셀은 단락에서 39.9 mA/cm²입니다(9.8 A를 245.7 cm²로 나눈 값). 도감에서 기록 셀을 열면 NLR 데이터 표의 개방 전압, 전류 밀도, 충진율에 맞춘 그 셀의 곡선이 모형 옆에 회색으로 그려집니다.

해는 어디에 있을까: NOAA 식

「태양 고도」 슬라이더는 해를 정남쪽 정오 호 위에만 둡니다. 「해와 하루」 탭은 고른 장소, 날짜, 시각의 실제 위치에 해를 둡니다. 계산식은 미국 해양대기청(NOAA) 지구 감시 연구소의 태양 계산기와 같고, 그 계산기는 장 뫼스의 『Astronomical Algorithms』에 바탕을 둡니다.

계산은 날짜에서 시작합니다. 날짜를 율리우스일로, 다시 2000년 1월 1일 정오부터 센 율리우스 세기로 바꿉니다. 여기서 해의 평균 황경과 평균 근점 이각, 지구 궤도가 타원이라 생기는 중심차, 해의 겉보기 황경, 지구 자전축의 기울기(지금 23.44°)가 나옵니다. 해가 적도에서 남북으로 얼마나 떨어져 있는지 나타내는 적위는 이 두 각에서 구합니다. 2026년 12월 21일의 적위는 −23.44°입니다.

균시차는 해시계와 시계의 차이입니다. 12월 21일에는 +2.1분이라 해가 시계 평균보다 2분 앞섭니다. 서울은 동경 127°에 있어 표준시 기준인 동경 135°보다 8° 서쪽이고, 경도 1°는 시간으로 4분입니다. 이를 합치면 서울의 남중 시각은 12:00이 아니라 12:30입니다. 시계로 12:00에 시간각은 아직 동쪽으로 7.5°이고, 해는 지평선 위 28.6°, 방위각 172.2°로 정남에서 동쪽으로 8° 떨어져 있습니다. NOAA 식의 마지막 단계는 공기가 빛을 휘게 하는 굴절을 더합니다. 이 높이에서는 100분의 몇 도이고 지평선에서는 약 0.5°입니다. 해 뜨고 지는 시각은 해의 중심이 지평선 아래 0.833°에 오는 순간으로, 이날 서울은 07:43과 17:17입니다.

전시의 계산식은 서울부터 트롬쇠와 시드니까지 장소와 시각 여섯 곳에서 NOAA 계산기 쪽의 코드와 대조했습니다. 고도와 방위각이 1만분의 1도보다 작은 차이로 맞습니다.

맑은 날 하루

해의 위치를 매분 알면 하루 발전량은 더하기입니다. 전시는 5분마다 그 높이의 직사광(앞과 같은 대기 질량 식), 방위각 차이까지 넣은 빛과 패널 사이의 각을 구하고, 산란광 10 %를 더한 뒤 패널의 최대 출력을 찾습니다. 「해와 하루」 탭의 그래프가 자정부터 자정까지 그 값을 그리고, 그 아래 넓이가 하루 발전량입니다.

서울의 12월 21일, 33° 기울여 남쪽을 향한 패널 한 장은 맑은 날 1.36 kWh를 만들고, 열 장은 인버터를 지나 13.2 kWh를 냅니다. 지붕에 눕힌 같은 패널은 0.76 kWh입니다. 이날 하루만 보면 낮은 겨울 해를 거의 정면으로 받는 62°가 가장 좋고, 1.55 kWh를 얻습니다. 6월 21일에는 거꾸로입니다. 해가 76°까지 오르고, 30° 패널은 2.37 kWh를 만들며, 그날 가장 좋은 기울기는 2°에 불과합니다. 고정식 설비는 한 해 내내 쓸 기울기 하나를 골라야 하므로 두 끝 사이 어딘가에 놓입니다.

「패널 방향」 슬라이더를 움직이면 어레이가 지붕 위에서 돕니다. 30° 기울기에서 동쪽을 향한 어레이는 서울의 12월 21일에 남향 발전량의 54 %를 만들지만, 6월에는 남향과 거의 같은 양을 만듭니다. 여름 해는 북동쪽에서 떠서 오전 내내 그 앞을 지나기 때문입니다.

먼 북쪽에서는 하루가 완전히 달라집니다. 북위 69.65°인 트롬쇠에서는 12월 21일에 해가 하루 종일 지평선 아래에 있어 어레이가 아무것도 만들지 못합니다. 6월 21일에는 해가 지지 않습니다. 현지 여름 시간으로 자정에도 북쪽 지평선 위 3.7°에 있고, 남쪽을 향한 패널은 2.58 kWh를 만듭니다. 해가 24시간 떠 있어 서울보다 조금 많습니다.

실리콘 셀을 만드는 여섯 가지 방법

오른쪽 단면은 고전적인 셀로 그렸습니다. p형 웨이퍼 위에 인을 넣은 이미터가 있고, 뒷면 전체에 알루미늄을 구워 붙여 후면 전계층이라는 짙게 도핑된 층이 생깁니다. 미국 에너지부는 이 알루미늄 후면 전계(Al-BSF) 셀이 2018년 무렵까지 시장을 차지하다가 PERC에 자리를 내주었고, 지금은 실리콘 이종 접합과 TOPCon 같은 n형 셀로 다시 옮겨 가는 중이라고 설명합니다. 「셀 단면」 탭이 설계마다 단면을 다시 만듭니다.

PERC(passivated emitter and rear cell)는 뒷면 전체에 산화알루미늄과 질화규소로 된 얇은 절연막을 입힙니다. 맨 실리콘 표면은 전자와 정공이 만나 사라지는 곳인데, 절연막이 그 표면을 안정시킵니다. 알루미늄은 이제 작은 구멍으로만 실리콘에 닿습니다.

TOPCon(tunnel oxide passivated contact)은 뒷면을 한 걸음 더 바꿉니다. 이 접촉을 개발한 프라운호퍼 ISE는 아주 얇은 터널 산화막 위에 도핑한 실리콘 얇은 층을 올린 구조라고 설명하고, 산업용 셀에서는 산화막이 보통 1~2 nm, 폴리실리콘이 약 80 nm입니다. 산화막은 다수 캐리어(여기서는 전자)가 터널링으로 지나갈 만큼 얇으면서 다른 캐리어는 금속에서 떼어 놓습니다. 웨이퍼가 n형이고 앞면 이미터는 붕소로 만들기 때문에 층의 역할이 바뀝니다. 단면에서도 정공이 앞면 핑거로, 전자가 뒷면으로 갑니다.

이종 접합 셀은 n형 웨이퍼 양면에 아주 얇은 비정질 실리콘(웨이퍼 쪽은 도핑하지 않은 층, 바깥은 도핑한 층)을 입히고, 그 위에 인듐주석산화물 같은 투명 전도막을 올립니다. 율리히 연구소는 공정이 네 단계뿐이고, 비정질 층이 높은 온도를 견디지 못해 은 페이스트를 약 200 °C에서 굳힌다고 설명합니다. 이 연구소의 이종 접합 셀은 1 °C 오를 때 출력이 0.3 %보다 적게 줄어, 이 모형 셀의 약 0.4 %보다 열에 강합니다.

후면 전극(IBC) 셀은 금속을 모두 뒷면으로 옮깁니다. 웨이퍼 아래에 n+와 p+ 실리콘 띠가 번갈아 놓이고 띠마다 전극이 붙어, 앞면에는 빛을 가리는 핑거가 없습니다. 미국 에너지부는 이 셀이 만들기 더 까다롭다고 설명합니다. NLR 표에서 가장 높은 실리콘 셀(28.1 %)은 이 배치에 이종 접합 층을 더한 셀입니다.

페로브스카이트/실리콘 탠덤은 셀 위에 셀을 하나 더 올립니다. 페로브스카이트가 파란빛과 초록빛을 흡수해 광자 하나당 더 높은 전압을 내고, 붉은빛과 근적외선은 아래 실리콘까지 내려갑니다. 두 셀은 얇은 재결합층으로 이어져 같은 전류를 흘립니다. 단면에서 페로브스카이트는 수송층 사이의 짙은 갈색 띠입니다.

단면은 모든 층을 크게 과장했습니다. 실제 TOPCon 셀의 터널 산화막은 웨이퍼 두께의 약 10만분의 1입니다.

효율 기록 표 읽는 법

도감은 NLR(옛 NREL) 데이터 표에서 효율 차트의 줄마다 가장 높은 셀 하나씩을 골랐습니다. 기록마다 효율, 측정한 달, 셀을 만든 기관이 있고, 대부분은 그 값을 확인한 독립 측정 기관(ISFH, NREL, 프라운호퍼 ISE, JRC-ESTI 등)도 적혀 있습니다. 개방 전압, 단락 전류 밀도, 충진율을 곱하면 효율이 나옵니다. 표준 빛 100 mW/cm² 아래에서 퍼센트 효율은 Voc × Jsc × FF와 같습니다. 27개 기록 가운데 19개는 세 값이 모두 있고, 그중 18개는 곱이 적힌 효율과 2 % 안에서 맞습니다. 실험대에 곡선이 그려지는 것은 이 18개뿐입니다.

면적도 많은 것을 알려 줍니다. 가장 높은 페로브스카이트 셀(28.0 %)은 0.051 cm²로 몇 mm 크기였습니다. 가장 높은 TOPCon 셀(26.68 %)은 350 cm² 크기의 웨이퍼 한 장이었습니다. 집광 기록은 여러 배 햇빛에서 잽니다. 프라운호퍼 ISE의 47.6 % 4접합 셀은 햇빛의 665배 빛을 넓이 0.0452 cm²인 셀에 모아서 쟀습니다. 모형 패널의 18.8 %는 틀과 틈, 리본까지 포함한 모듈 전체를 보통 햇빛에서 잰 값입니다.

우주와 사막의 태양 전지

태양 전지는 지붕보다 우주에 먼저 갔습니다. 1958년 3월 17일에 발사된 뱅가드 1호는 첫 태양광 위성이고, NASA는 지금도 궤도에 있는 가장 오래된 인공 물체라고 설명합니다. 국제우주정거장은 약 2,500 m²의 전지판에 셀 262,400장을 달았습니다. 전지판 네 묶음이 84~120 kW를 내고, 정거장이 햇빛 속에 있을 때 그 가운데 약 60 %로 궤도의 어두운 쪽에서 쓸 배터리를 충전합니다.

해에서 멀어지면 빛이 약해집니다. 목성은 지구보다 해에서 약 다섯 배 멀어 햇빛이 약 25분의 1입니다. 주노의 9 m 전지판 세 장에는 셀 18,698장이 있어 지구 거리에서는 약 14 kW를 냈을 것이고, NASA 언론 자료는 목성에서 약 400 W라고 적습니다. 화성의 인사이트는 2018년 착륙 직후 화성의 하루에 약 5,000 Wh를 만들었지만, 2022년 봄에는 먼지 때문에 약 500 Wh로 줄었습니다.

땅 위의 가장 큰 발전소는 기가와트 단위입니다. 아부다비에서 약 35 km 떨어진 알 다프라에는 결정질 양면형 패널이 400만 장 가까이 있습니다. 운영사 EWEC는 교류 1.5 GW, 개발사 마스다르는 2 GW로 적습니다. 스웨이한의 누르 아부다비는 7.8 km²에 패널 약 320만 장이 있습니다. 도감에서 두 발전소 가운데 하나를 열면 「해와 하루」 탭이 아부다비로 옮겨 가고, 12월 21일 정오의 해는 42° 높이에 있습니다.