[재미있는 과학] 햇빛 세면 전기 많이 만들까? 너무 뜨거우면 효율 낮아요

[무지렁이]

신문은 선생님

[재미있는 과학] 햇빛 세면 전기 많이 만들까? 너무 뜨거우면 효율 낮아요

• 입력 : 2026.07.21

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태양광 발전

길을 가다 마치 바둑판을 떠올리게도 하는 검은색 태양광 설비를 한 번쯤은 봤을 거예요. 햇빛을 전기로 만드는 이 설비를 태양광 패널이라고 하는데요. 요즘 건물, 주차장, 농지 등 곳곳에서 태양광 패널을 볼 수 있습니다. 우리나라뿐 아니라 세계 곳곳에서도 태양광 발전이 빠르게 늘어나고 있어요. 얼마 전 미국에서 월간 기준 태양광 발전량이 처음으로 석탄 발전량을 넘어섰다는 소식이 전해지기도 했습니다.

햇빛은 늘 우리 곁에 존재하는데요. 그렇다면 어떻게 이 햇빛으로 전기를 만드는 걸까요? 오늘은 태양광에 대한 궁금증을 풀어보겠습니다.

햇빛이 전기가 되는 마법, 광전효과

요즘은 전기가 없으면 스마트폰도 충전하지 못하고, TV나 컴퓨터를 켤 수 없을 정도입니다. 그런데 정작 전기가 뭔지 알고 있나요? 정의를 찾아보면 '물질 안에 있는 전자 등의 움직임 때문에 생기는 에너지의 한 형태'라고 나옵니다. 우리를 비추는 햇빛에는 전자를 움직이는 힘이 있답니다. 햇빛은 광자라고 불리는 아주 작은 빛 알갱이들이 모여 있는 에너지이고, 광자 하나하나에는 전자를 움직일 수 있는 힘이 들어 있지요.

태양광 패널이 햇빛의 에너지를 받기 위해 사용하는 핵심 재료가 바로 '규소(실리콘)'입니다. 규소는 모래와 돌에 많이 들어 있는 원소로, 특별한 성질 덕분에 태양광 패널뿐 아니라 컴퓨터와 스마트폰에 들어가는 반도체에도 널리 사용됩니다. 햇빛 속 광자가 패널에 있는 규소와 만나면, 광자의 에너지 때문에 규소의 전자가 튀어나와 움직이기 시작합니다. 전자들이 한 방향으로 흐르면 전류가 만들어지고, 우리가 사용하는 전기가 되는 거예요. 이처럼 빛의 에너지를 받은 전자가 움직이기 시작하는 현상을 '광전 효과'라고 부릅니다. 이 원리를 밝힌 사람이 바로 그 유명한 알베르트 아인슈타인이에요. 그는 광전 효과 연구 공로로 1921년 노벨 물리학상도 받았답니다.

▲ 그래픽=진봉기

반도체 물질인 규소

여기서 한 가지 궁금증이 생깁니다. 왜 하필 규소가 사용되는 걸까요? 물질은 전기가 얼마나 잘 흐르냐에 따라 크게 도체, 부도체, 반도체 셋으로 나뉩니다. 구리나 철 같은 '도체'는 원래 전자가 자유롭게 움직여 전기가 잘 흐르는 물질입니다. 그래서 전선을 만드는 데는 적합하지만, 햇빛으로 새로운 전자의 흐름을 만들어내진 못해요. 쉽게 말해 운반은 잘하지만 전기를 생산하진 못하는 거죠. 플라스틱이나 고무, 유리 같은 '부도체'는 전자가 너무 단단히 붙잡혀 있어 거의 움직이지 않지요. 역시 태양광 발전에 적합하지 않습니다.

그런데 규소는 이 둘의 중간 성질을 가진 '반도체'입니다. 여기서 반(半)은 절반을 뜻합니다. 반도체는 평소에는 전자가 쉽게 움직이지 않지만, 햇빛처럼 충분한 에너지를 받으면 움직일 수 있습니다. 하지만 전자가 움직이기만 한다고 전기가 만들어지는 것은 아닙니다. 한쪽 방향으로만 흘러야 하는데, 규소 같은 반도체는 태양광의 특별한 구조 속에서 한 방향으로 척척 잘 흐르죠. 전기가 안정적으로 만들어질 수 있는 것입니다.

영리하게 사용해야 하는 태양광 발전

그럼 햇빛이 강할수록 더 많은 전기가 만들어진다고 생각할 수 있을 거예요. 하지만 이 같은 생각은 반은 맞고, 반은 틀린 이야기랍니다.

일반적으로 햇빛 속 광자를 많이 받을수록 더 많은 전자가 움직여 전기 생산량이 늘어나는 건 맞아요. 그래서 아침보다 낮에, 흐린 날보다 맑은 날에 더 많은 전기가 만들어지는 거죠. 그런데 너무 고온이 되면 열로 인해 규소 내부에서 전자들의 이동에 방해가 생깁니다. 전기를 만드는 효율이 조금씩 떨어지게 돼요. 연구에 따르면 태양광 발전은 25도쯤에서 효율이 좋다고 해요. 그런데 한여름엔 이보다 훨씬 덥고, 패널의 온도는 60~70도를 넘을 정도입니다.

그래서 패널의 온도를 낮춰 줄 필요가 있습니다. 패널 사이에 충분한 공간을 두어 바람이 잘 통하게 해야 합니다. 다닥다닥 설치하는 건 좋지 않습니다. 물을 뿌려 온도를 낮추는 장치를 설치하기도 하고요. 또 패널에 먼지가 쌓이면 햇빛을 충분히 받지 못할 수 있기에 패널을 깨끗이 관리해야 합니다.

태양광 발전은 대표적 친환경 에너지로 주목받기도 해요. 하지만 알맞은 장소에 잘 설치해야 한다고 과학자들은 지적합니다. 식물들이 태양광 패널에 가려 햇빛을 제대로 받지 못하면 안 되겠죠. 또 친환경 에너지를 얻으려고 산에 나무를 베어내고 대규모 태양광 패널을 설치한다면 결국 자연을 파괴하는 꼴이 됩니다. 산사태 같은 자연재해 위험이 커진다는 걱정도 많고요. 친환경 에너지가 더욱 빛을 보려면 사람의 신중한 고민이 필요합니다.

실내 조명으로도 발전을?

앞서 살핀 것처럼 태양광 패널은 햇빛 자체가 아니라 빛을 이루는 광자의 에너지를 이용해 전기를 만듭니다. 따라서 햇빛이 아니더라도 충분한 에너지를 가졌다면 실내의 빛도 전기를 만들어낼 수 있어요. 다만 형광등이나 LED 조명은 햇빛보다 훨씬 약하기 때문에 광자의 수도 적고, 만들어지는 전기도 매우 적을 수밖에 없답니다.

무선 센서나 스마트워치처럼 전기를 많이 쓰지 않는 기기라면 햇빛 에너지까지 필요하진 않습니다. 그래서 최근에는 실내 조명에 최적화된 발전 장치도 많이 만들어지고 있지요.