빛이 전기가 되기까지

태양광 모듈에는 움직이는 부품이 하나도 없습니다. 그런데도 햇빛을 받으면 전기가 나옵니다. 그 일은 모듈 안의 태양전지 셀 한 장 한 장에서, 눈에 보이지 않을 만큼 얇은 층 사이에서 일어납니다.

1. 빛 알갱이가 전자를 떼어 낸다

빛은 광자라는 작은 에너지 알갱이로 이뤄져 있습니다. 셀의 재료인 실리콘에 충분한 에너지를 가진 광자가 부딪히면, 실리콘 원자에 묶여 있던 전자 하나가 떨어져 나와 자유롭게 움직일 수 있게 됩니다. 전자가 빠져나간 빈자리는 정공이라고 부르며, 양(+)전하를 띤 것처럼 움직입니다. 빛이 전자(−)와 정공(+)의 짝을 만드는 것입니다.

2. PN 접합이 둘을 갈라놓는다

짝으로 생긴 전자와 정공은 그냥 두면 금방 다시 만나 사라집니다. 그래서 셀은 성질이 다른 두 실리콘 층(N형과 P형)을 맞붙여 만듭니다. 이 경계면(PN 접합)에는 저절로 전기장이 생겨, 전자는 한쪽으로, 정공은 반대쪽으로 밀어냅니다. 위아래로 갈라진 전하 때문에 셀의 앞뒤에 전압이 생깁니다.

아래 그림에서 빛이 들어올 때 전자와 정공이 생겨 갈라지는 모습을 보고, 바깥 회로를 연결·끊음·단락으로 바꿔 보세요.

3. 회로를 연결하면 전류가 흐른다

셀 앞뒤를 전선으로 이어 주면, 갈라져 있던 전자가 바깥 회로를 돌아 정공과 다시 만나러 갑니다. 이 흐름이 우리가 쓰는 전류입니다. 회로 상태에 따라 셀이 내는 값이 달라집니다.

• 회로를 끊었을 때(개방): 전류는 흐르지 않고 전압이 가장 높습니다. 이것을 개방전압(Voc)이라고 합니다. 실리콘 셀 한 장은 0.6~0.7볼트 정도입니다.
• 회로를 짧게 이었을 때(단락): 전압은 0에 가깝고 전류가 가장 큽니다. 이것을 단락전류(Isc)라고 합니다.
• 부하를 연결했을 때: 그 사이 어딘가에서 전압과 전류가 함께 나와 전력이 만들어집니다.

셀에서 모듈, 스트링으로

셀 한 장의 전압은 1볼트도 되지 않습니다. 그래서 셀 수십 장을 직렬로 이어 모듈을 만들고(모듈 한 장이 수십 볼트), 모듈 여러 장을 다시 직렬로 이어 스트링을 만들어 인버터가 일할 수 있는 수백 볼트 이상의 전압을 얻습니다. 이 연결 방식이 다음 장들에서 볼 출력 곡선과 그늘 문제로 이어집니다.

핵심 정리

• 빛 알갱이(광자)가 실리콘에서 전자와 정공의 짝을 만든다
• PN 접합의 전기장이 전자와 정공을 갈라 셀 앞뒤에 전압을 만든다
• 회로를 끊으면 개방전압, 짧게 이으면 단락전류가 나오고, 부하를 걸면 전력이 나온다
• 셀 → 모듈 → 스트링으로 직렬 연결해 필요한 전압을 만든다

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