태양이 선사한 에너지의 변화: 태양광 에너지의 역사와 혁신(The Change in Energy from the Sun: The History and Innovation of Solar Energy)

■ 태양광 에너지의 개발 역사

태양광 에너지의 개발 역사는 꽤 긴 시간에 걸쳐 이루어졌다.

• 1839년
  프랑스의 물리학자인 에드몬드 베커렐이 '광전효과'를 발견했다. 이는 빛이 물질에 닿았을 때 전기적 힘을 발생시킬 수 있다는 것을 처음으로 보여준 실험이었다.
  광전효과는 물질에 빛이 적취되면 그 물질에서 전자가 방출되는 현상을 말한다. 이 현상은 에너지를 전달하는 입자인 광자가 물질의 전자에 충격을 주어 그 전자가 물질로부터 분리되어 방출되는 현상으로 설명된다.
  베커렐은 실험 중에 빛이 두 개의 서로 다른 금속 간에 전류를 만들어 낼 수 있다는 사실을 발견했다. 이는 빛의 에너지가 전자를 방출하게 하여 전류를 만들어 낼 수 있음을 보여주었다.
  베커렐의 이 발견은 광전효과라는 개념을 제시하였고, 이는 나중에 양자역학의 기반을 형성하는 데 중요한 역할을 하였다. 특히, 1905년 알버트 아인슈타인이 광전효과를 설명하는 논문을 발표하면서 이는 더욱 확고해졌다. 아인슈타인의 이 논문은 그에게 1921년 노벨 물리학상을 가져다주었으며, 광자라는 개념과 빛의 입자성을 확립하는 데 기여하였다.
  이러한 광전효과는 오늘날 태양전지에서 광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 데 사용되는 근본적인 원리이며, 또한 광자를 검출하는 다양한 장치와 센서의 작동 원리를 이해하는 데 필수적이다.
  
  

※자료출처: SAMSUNG DISPLAY News Room, "광전 효과란?"

 

• 1873년
  윌러드 글로버 브라이언이 특정 재료가 빛에 노출될 때 전도성이 증가한다는 것을 발견하다. 이는 태양광 셀 개발의 중요한 단계였다.
  콜브라이언은 그렇게 깊게 연구를 한 사람은 아니었지만, 그의 발견은 태양에너지 분야에 커다란 파장을 일으켰다.
  그는 연구 중에 셀레늄(Se)이 빛을 받았을 때 그의 전기 전도도가 증가하는 현상을 관찰하였다. 이를 통해 그는 빛이 물질의 전기적 성질에 영향을 미칠 수 있음을 증명하였다. 이러한 현상은 '광전도 현상'이라고 불린다.
  이 발견은 태양광 전지를 개발하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 하였다. 왜냐하면 콜브라이언이 셀레늄의 특성을 발견함으로써 과학자들은 빛에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있는 장치를 개발하는 방안을 모색할 수 있었기 때문이다.
  콜브라이언의 이러한 발견은 태양광 전지의 원리를 이해하는 데 있어서 필수적인 단계였으며, 이후 태양광 발전의 발전을 이끄는 데 크게 기여하였다.

 

• 1883년
  찰스 피츠는 첫 번째 실질적인 태양 전지를 개발했다.
  피츠는 윌러드 콜브라이언이 발견한 셀레늄의 광전도 현상에 대한 연구를 바탕으로 셀레늄을 이용하여 태양광 전지를 만들었다.
  피츠의 태양광 전지는 셀레늄을 기반으로 하였으며, 빛에 노출될 때 전류를 발생시키는 원리를 이용하였다. 피츠는 이를 "Solar Cell"라고 명명하였으며, 이는 빛이 셀레늄에 불어입히는 에너지를 전기에너지로 변환하는 첫 번째 장치였다.
  이 "Solar Cell"은 오늘날 우리가 알고 있는 실리콘 기반의 태양광 전지와는 많이 다르지만, 그래도 태양의 빛을 전기 에너지로 변환하는 기본 원리는 동일하다.
  피츠의  "Solar Cell"은 효율이 매우 낮았지만(약 1~2%), 그의 발명은 태양광 에너지를 이용한 전력 생산의 가능성을 처음으로 보여주었으며, 이는 태양광 에너지 분야의 연구 및 개발에 중요한 역할을 하였다. 이후 다양한 과학자들과 연구자들이 피츠의 발명을 바탕으로 태양광 전지의 효율을 향상하는 데 노력을 기울였다.

 

• 1954년
  벨 연구소는 최초의 실리콘 태양 전지를 개발했다. 이는 태양광 에너지 개발의 가장 큰 돌파구였으며, 오늘날에도 이 기술이 널리 사용되고 있다.
  벨 연구소의 태양전지는 그 전까지 개발된 태양전지보다 훨씬 더 효율적이었고, 이는 태양광 에너지 분야에 미친 큰 영향 때문에 "태양전지의 탄생"이라고 불리는 중요한 내용이다.
  이 연구소의 과학자들은 얇은 실리콘 층을 사용하여 빛을 전기로 바꾸는 태양전지를 만들었다. 이 전지의 효율은 약 6%였는데, 이는 당시의 태양전지와 비교했을 때 훨씬 높은 수치였다. 그리고 이들이 개발한 태양전지의 기본 원리는 오늘날의 태양전지와 크게 다르지 않다.
  이 발명을 통해 태양광 에너지는 이론적인 개념에서 벗어나 실용적인 에너지 원으로서의 가능성을 보여주었다. 이 발명 이후 태양전지의 효율은 계속해서 향상되어 오늘날에는 20% 이상의 효율을 보이는 고성능 태양전지가 개발되었다.
  태양전지의 이러한 발전은 태양광 에너지가 세계 에너지 수요의 중요한 부분을 차지하게 된 데 큰 역할을 했다. 이로써 태양광 에너지는 환경 친화적인 에너지원으로서 그 중요성이 계속해서 증가하고 있다.

 

• 1970년대
  에너지 위기로 인해 태양광 에너지에 대한 관심이 증가하였으며, 이는 다양한 국가에서 태양광 에너지 개발에 대한 연구와 투자를 촉진하였다.
  1970년대는 석유 위기(Oil Crisis)가 찾아왔던 시기로, 이에 따른 에너지 위기가 전 세계적으로 퍼졌다. 특히 1973년에는 OPEC (석유 수출 국가 기구)의 석유 수출 제한으로 인해 석유 가격이 폭등하며 세계적인 에너지 위기가 발생했다.
  이런 상황은 신재생 에너지, 특히 태양광 에너지에 대한 관심을 크게 끌어올렸다. 석유와 같은 비재생 에너지원에 의존적인 사회 구조의 취약성이 노출되면서, 재생 가능하고 환경 친화적인 에너지원에 대한 필요성이 대두되었다.
  이 시기부터 태양광 에너지에 대한 연구 및 개발에 많은 투자가 이루어졌으며, 국가 및 기업 간의 과학적, 경제적 노력이 확대되었다. 미국은 이 시기에 에너지 개발에 대한 중요성을 인식하고 연방 에너지 관리청 (Federal Energy Management Agency, FEMP)과 에너지 연구개발청 (Energy Research and Development Administration, ERDA) 등을 설립하였다.
  태양광 에너지의 효율을 향상시키고 비용을 낮추는 기술 개발이 가속화되었으며, 이는 1980년대와 1990년대에 실리콘 기반 태양전지의 상업적 생산을 가능하게 했다.
  결국, 이 시기는 태양광 에너지에 대한 연구, 개발, 투자가 크게 증가하면서 현대의 태양광 에너지 시장의 기반을 형성하게 되었다. 이후 태양광 에너지는 세계 에너지 공급의 핵심 요소 중 하나가 되었으며, 지속 가능한 미래에 대한 중요한 해결책으로 각광받게 되었다.
• 1990년대
  개발되는 기술의 발전과 정책 변화로 인해 태양광 에너지의 설치 비용이 크게 감소하였다. 이는 태양광 에너지의 상업적 이용을 가능하게 하였다.
  
  a. 기술 발전 
  연구 및 개발(R&D)의 진전으로 태양전지의 효율이 향상되었으며, 생산 과정의 개선을 통해 제조 비용이 절감되었다. 이러한 기술 발전은 태양전지의 가격을 내리는 데 크게 기여했다.
  b. 생산 규모의 확장 
  태양광 에너지 시장의 성장과 함께, 태양전지의 대량 생산이 가능해졌다. 이는 규모의 경제(scale of economy) 원칙에 따라 단위 제품당 제조 비용을 낮추는 결과를 가져왔다.
  c. 정책 지원 
  많은 국가에서는 신재생에너지의 중요성을 인식하고, 이에 대한 정책적 지원을 확대하였다. 이는 재생에너지 분야의 연구개발(R&D)에 투자를 촉진하고, 생산 및 설치 비용을 감소시키는 데 도움이 되었다.
  d. 시장 경쟁 
  태양광 시장의 성장으로 인해 기업 간의 경쟁이 심화되었다. 이는 제품의 품질을 높이고 가격을 낮추는 결과를 가져왔다.

 

• 21세기
  태양광 에너지는 전 세계에서 가장 빠르게 성장하는 에너지 원천력 중 하나가 되었다. 기술적 발전과 환경 보호를 위한 공감대로 인해 태양광 에너지의 개발과 활용은 계속해서 늘어나고 있다.
  
  a. 효율성 증가
  21세기에 들어서 태양광 기술의 중요한 개발 중 하나는 태양전지의 변환 효율 증가다. 과거에 비해 상당히 향상된 효율을 보이고 있지만, 아직도 더 개선될 여지가 많다. 이를 위한 연구가 계속 진행 중이며, 향후 더욱 효율적인 태양전지의 개발이 기대된다.
  b. 이차전지와의 연계
  태양광 발전이 직면한 주요한 문제 중 하나는 생산과 사용 사이의 시간적인 불일치다. 이를 해결하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS)과의 연계가 중요하게 여겨지고 있다. 특히, 리튬 이온 배터리, 레독스 플로우 배터리, 연료전지 등 다양한 저장 기술과의 결합을 통해 태양광 발전의 활용성을 높이고 있다.
  c. 태양광 추적 시스템
  태양광 추적 시스템은 태양의 움직임에 따라 태양광 패널을 움직여, 최대한 많은 태양광을 캡처하도록 하는 기술이다. 이를 통해 일정한 양의 태양광 에너지를 확보하고, 발전 효율을 향상할 수 있다.
  d. 태양광 패널의 지속적인 가격 하락
  21세기에 들어서면서 태양광 패널의 가격은 지속적으로 하락하고 있다. 특히 실리콘 기반 태양전지의 제조 공정이 개선되면서 대량 생산이 가능해졌고, 이에 따라 가격이 크게 하락하였다. 이는 태양광 에너지가 더욱 대중화되는데 기여하고 있다.
  e. 태양광 에너지의 통합
  건물에 통합된 태양광 에너지(BIPV)와 같은 기술들이 주목 받고 있다. 이러한 기술은 기존 건물에 태양광 패널을 추가하는 것이 아니라, 건물 자체를 에너지 생산 수단으로 사용한다. 이를 통해 에너지 효율을 향상하며, 도시의 에너지 수요를 줄일 수 있다.
  f. 탄소중립 목표와 태양광 에너지
  많은 국가들이 2050년까지 탄소중립을 목표로 설정하고 있다. 이러한 목표 달성을 위해, 태양광 에너지와 같은 신재생 에너지의 활용이 중요하다. 태양광 에너지는 그 중에서도 비교적 쉽게 구축 및 설치가 가능하며, 지속적인 에너지를 제공할 수 있어 탄소중립 목표 달성에 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다.
  g. 인공지능과 디지털화의 적용
  태양광 발전의 효율과 관리를 개선하기 위해 인공지능(AI)과 디지털화가 적용되고 있다. 예를 들어, AI는 기상 조건, 태양의 위치 등을 분석하여 최적의 태양광 발전량을 예측할 수 있다. 또한, 디지털 플랫폼을 통해 에너지 사용을 실시간으로 모니터링하고, 최적의 에너지 사용 계획을 세울 수 있다.
  h. 더 나은 에너지 관리를 위한 스마트 그리드와의 통합
  신재생에너지의 일관된 생산을 보장하기 위해 스마트 그리드와의 통합이 점점 더 중요해지고 있다. 태양광 에너지는 생산이 일정하지 않기 때문에, 스마트 그리드를 통해 에너지를 효과적으로 관리하고, 에너지 공급과 수요 사이의 균형을 유지하는 것이 중요하다.
  i. 더 나은 자재와 제조 공정
  더 효율적이고 지속 가능한 태양전지를 만들기 위한 연구가 계속 진행 중이다. 이에는 고성능의 소재 개발, 더 나은 제조 방법, 그리고 기존 제조 공정의 개선 등이 포함된다. 또한, 태양전지의 장수명화와 재활용 가능성 개선 등에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
  j. 투명 태양전지
  유리나 플라스틱 같은 투명한 소재로 만든 태양전지도 연구 중인 분야다. 이러한 태양전지는 건물의 창문이나 유리파사드에 적용될 수 있으며, 이를 통해 건물 자체가 에너지를 생산할 수 있게 된다.
  k. 태양광 에너지에 대한 정책 지원
  많은 국가들이 태양광 에너지의 확대를 위해 다양한 정책 지원을 하고 있다. 이에는 기술 개발 지원, 설치비 지원, 그리고 에너지 구매 계약 등이 포함된다.
  
  

※자료출처: ISAAC ENG, "태양전지의 역사"