[과학과 놀자] 충전하기 불편한 전기차, 태양광으로 달리게 할수 없을까

요즘 길을 다니다 보면 파란색 번호판을 단 전기차를 심심치 않게 볼 수 있다. 전기차는 내연기관을 사용하는 차에 비해 적은 환경 오염과 소음, 저렴한 충전 요금 등 다양한 장점이 있다. 브레이크와 타이어 관련 부품 말고는 거의 손댈 것이 없다는 것도 장점이다. 환경 오염을 막기 위해 전기차 구매 시 정부로부터 지원금을 받을 수 있으며, 고속도로 통행료도 50% 할인받을 수 있다. 이 외에 차량 내부가 넓고 주행 성능이 좋다는 장점은 덤으로 딸려온다.



그런데 2021년 미국 인터넷 금융매체 마켓인사이더 연구에 따르면 전기차 소유자 5명 중 1명은 다시 내연차로 전환했다. 왜 그럴까. 전기차 충전의 번거로움 때문이라고 한다. 전기차의 주행거리는 보통 500㎞ 정도지만, 차량을 이용할 때 에어컨이나 난방 등도 이용하다 보니 실주행 거리는 짧아진다. 배터리 성능이 떨어지는 겨울철에는 주행거리가 더 줄어든다. 충전 인프라가 부족하고 충전에 오랜 시간이 걸리는 것도 불편 요인이다.

이에 따라 자동차업계에서는 태양전지가 큰 이슈가 되고 있다. 자동차 지붕에 태양광 패널을 넣어 전기차 충전의 단점을 극복하고자 하는 것이다. 이를 솔라 루프(태양광 패널 지붕)라고 부른다.

솔라 루프 상용화는 2009년 도요타 프리우스에 장착하며 시작됐다. 현대도 2019년 쏘나타 하이브리드에 솔라 루프를 장착해 하루평균 3.6㎞를 더 달릴 수 있도록 했다. 최근 인기 있는 아이오닉 5에도 솔라 루프 옵션을 넣었다. 테슬라는 2016년 11월 17일 부채가 많은 솔라시티를 인수해 태양광산업 관련 첫 제품으로 솔라 루프를 출시했다.

태양전지는 무엇으로 만들어졌으며 어떤 원리로 작동되는 걸까. 태양전지는 반도체로 만들어졌다. 물질은 그 전기적 성질에 따라 도체, 반도체, 절연체로 나뉜다. 도체는 전압을 걸었을 때 전류가 잘 흐르는 물질, 절연체는 저항이 커서 전압을 가해도 전류가 잘 흐르지 않는 물질이다. 반도체는 상황에 따라 전류가 흐르기도, 흐르지 않기도 하는 물질을 말한다. 원자의 구조와 결합 형태로 구분한다면 도체는 핵에 전자가 구속되지 않는 자유 전자가 많은 물질로 금속 결합을 하고, 부도체는 핵에 전자가 구속돼 있어 이웃한 원자가 결합할 때 공유 결합이나 이온 결합을 하며 전자의 이동이 자유롭지 않다. 반도체의 경우 사방으로 공유결합을 하기 때문에 순수 반도체는 전도성이 좋지 않으나 13족이나 15족 원소 도핑을 통해 전자가 움직일 공간인 ‘양공’을 만들어주거나, ‘자유전자’를 만들어줘 전도성을 높일 수 있다. 이런 반도체를 불순물 반도체라고 하며 13족 원소를 도핑해 양공을 만들어 전도성을 높인 불순물 반도체를 P형 반도체, 15족 원소를 도핑해 자유전자를 만들어 전도성을 높인 불순물 반도체를 N형 반도체라 한다. 그리고 이 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여서(접합하여) 태양전지를 만든다.

빛은 에너지다. 태양전지에 빛을 비추면 전자가 빛에너지를 받아 P형 반도체에서 전기적 위치에너지가 높은 N형 반도체로 이동하게 된다. 이처럼 빛에너지가 전자의 에너지로 바뀌게 되는 현상을 광전 효과라고 한다. 그 유명한 알베르트 아인슈타인이 빛의 입자성으로 광전 효과를 설명하며 노벨상을 탔다. 이런 광전 효과로 N형 반도체에 전자가 쌓이고 P형 반도체에는 전자의 빈자리인 양공이 더 많이 생겨나게 되면서 태양전지에 회로를 연결하면 N형 반도체는 전자를 내보내는 (-)극, P형 반도체는 전자를 받아들이는 (+)극이 돼 회로에 (-)극에서 (+)극으로 전류가 흐르게 하는 전지가 되는 것이다.

기후 위기를 극복하고 지구 평균 온도를 낮추기 위해 많은 기업과 국가가 태양광 기술 고도화에 도전하고 있다. 그 예로 올해 9월부터 호주 과학자들이 테슬라 트렁크에 돌돌 말아 넣고 다니는 인쇄형 유기태양전지로 테슬라 모델3를 충전, 호주를 일주하는 ‘차지 어라운드 오스트레일리아 프로젝트’를 진행할 예정이다. 더불어 차지어라운드오스트레일리아 설립자인 스튜어트 맥베인은 기술 고도화를 통해 지구상에서 가장 저렴한 형태의 전기를 생산하는 기술을 보편화하고 싶다는 포부를 밝혔다.

기억해주세요

태양 전지는 반도체로 만들어진다. 반도체는 상황에 따라 전류가 흐르기도, 흐르지 않기도 하는 물질을 말한다. 원자의 구조와 결합 형태로 구분한다면 도체는 핵에 전자가 구속되지 않는 자유 전자가 많은 물질로 금속 결합을 하고, 부도체는 핵에 전자가 구속돼 있어 이웃한 원자가 결합할 때 공유 결합이나 이온 결합을 하며 전자의 이동이 자유롭지 않다. 반도체의 경우 사방으로 공유결합을 하기 때문에 순수 반도체는 전도성이 좋지 않으나 13족이나 15족 원소 도핑을 통해 전자가 움직일 공간인 ‘양공’을 만들어주거나, ‘자유전자’를 만들어줘 전도성을 높일 수 있다. 이런 반도체를 불순물 반도체라고 하며 13족 원소를 도핑해 양공을 만들어 전도성을 높인 불순물 반도체를 P형 반도체라고 하고, 15족 원소를 도핑해 자유전자를 만들어 전도성을 높인 불순물 반도체를 N형 반도체라고 한다. 그리고 이 P형 반도체와 N형 반도체를 붙여서(접합하여) 태양전지를 만든다.