[저멀리 우주로: 우주경쟁] 우주선 에너지원, 태양전지

• 태양의 에너지를 이용하는 전지

세상을 환하고 따뜻하게 하는 태양은 엄청난 에너지를 전한다

태양은 지구를 데울 정도로 엄청난 에너지를 보유하고 있습니다. 게다가 낮이면 이용할 수 있는 공짜 에너지입니다. 그래서 많은 물리학자들과 공학자들은 태양에너지를 인간이 사용하는 에너지로 치환해 사용하려는 시도를 했습니다. 즉 태양의 에너지를 받아 모터를 돌리려고 하는 시도들이 많았습니다.

광기전력

1839년 19세에 천재적인 물리학적 능력을 보유한 에드몽 베크렐은 아버지 연구소에서 처음으로 광기전력 현상을 발견했습니다. 광기전력은 특정물질을 빛에 쬐였을 때 전자가 이동하는 현상으로 전기가 흐른다는 의미였습니다. 이는 태양에너지를 모터를 돌리는 에너지로 전환하려는 인류의 염원을 가능하게 한 발견이었습니다.

에드몽 베크렐의 태양전지

에드몽 베크렐은 결정화된 원자가 이온화되어 불완전해지면 빛에너지를 받아 원소 내 전자가 풀려나 다른 물질로 이동하며 전기가 흐른다는 사실을 깨달았습니다. 그래서 에드몽 베크렐은 백금 또는 금으로 이루어진 금속판 두 장을 산성, 중성, 염기성 용액에 담아 원자를 불안정하게 만들고 특수한 방법으로 태양 빛에 노출시켰을 때 전기가 흐름을 발견했습니다. 이 사실은 프랑스 아카데미에 소개되어 주목을 받았습니다.
 
 
 

• 고체 태양전지 개발 시도

셀레늄 태양전지

1839년 에드몽 베크렐이 처음 발견한 태양전지는 생산하는 전기가 극도로 작았으며 산성 액체에 담아야 했습니다. 그래서 고체 태양전지 개발을 시도했습니다. 1873년 대영제국의 전기공학자 윌로비 스미스는 반도체인 셀레늄에서도 광기전력이 일어남을 발견했고 1883년 미국의 발명가 찰스 프리츠는 셀레늄으로 고체 태양전지를 개발했습니다. 허나 셀레늄 태양전지는 전력효율이 1%라는 처참한 성적을 냈습니다.
 
 
 

• 실리콘 반도체 공정법

초크랄스키 공정

저효율 때문에 태양전지는 한동안 잊혀졌습니다. 한편 그동안 새로운 기술이 등장했는데 실리콘 반도체의 등장이었습니다. 1918년에는 폴란드 과학자 얀 초크랄스키가 실리콘 반도체를 만드는 공정법을 개발했습니다. 순수한 규산인 모래를 150도에 녹여 용광로를 만들고 단결정 규소를 용광로에 넣다 빼며 균일한 실리콘 반도체를 만드는 방법으로 오염가능성은 높지만 만들기 쉽고 효율이 좋아 실리콘 반도체 개발에 한동안 사용되었습니다.
 
 

• 실리콘 반도체로 만든 태양전지

벨 연구소 태양전지

1953년 미국 벨 연구소의 세 연구원은 초크랄스키 공정으로 만든 실리콘 반도체로 태양전지를 개발했습니다. 그러나 효율은 여전히 11%였기에 상용화하기에는 많은 무리가 있었습니다. 그래서 벨 연구소의 태양전지는 금방 잊혀질 듯 했습니다. 그러나 효율이 좋지 않은 태양전지가 빛을 발하는 분야가 있었습니다. 지구가 아닌 우주였습니다.
 
 
 

• 우주선의 에너지 공급원으로

뱅기드 인공위성의 태양전지(검은 사각형 판)

1957년 미해군과 미육군이 서로 인공위성을 개발하는 도중 큰 한계점을 받았습니다. 작은 인공위성은 에너지를 공급받으며 측정기로 밴 앨런대를 측정하고 송수신기를 작동시켜 통신해야 했는데 기존 전지는 수명이 너무 짧았습니다. 그렇다고 원자로 등 발전기를 넣자니 너무 크고 무거웠습니다. 그래서 에너지 공급에 차질을 겪는 도중 태양전지에 주목했습니다. 미군은 미해군과 미육군에게 모두 태양전지를 보급했고 태양전지는 미국 인공위성의 에너지 공급원이 되었습니다.

뱅가드 인공위성에 사용된 태양전지

태양전지는 우주에서 빛을 발하는 에너지공급원이었습니다. 우선 대기라는 방해물이 없는 우주에서 극한의 효율을 냈으며 태양빛만 받는다면 수명이 길어 충전이 필요없고 무엇보다 작고 가벼웠습니다. 미해군이 개발하는 뱅가드Vanguard 인공위성은 1958년 3월 17일 발사 후 몇주만에 화학전지가 고장났으나 태양전지 덕분에 계속 임무를 수행할 수 있었습니다. 그래서 뱅가드Vanguard 인공위성은 무려 7년 간 임무를 수행하며 밴 앨런대 연구에 큰 도움을 제공했습니다. 반면 스푸트니크 1호Спутник-1는 화학전지로 작동했기에 92일만에 수명이 다했습니다.
 
 
 

• 소련도 태양전지를 도입하다

소련 태양전지

소련은 한번 실패 후 뱅가드Vanguard 인공위성을 놀렸지만 뱅가드Vanguard 인공위성에 태양전지를 단다는 생각은 훌륭한 생각이라고 생각했습니다. 사실 개발책임자 세르게이 코롤료프는 스푸트니크 1호Спутник-1에 태양전지를 달려고 했지만 규격이 맞지 않아 전지로 대체했습니다. 소련 역시 실리콘 반도체를 태양전지로 활용하는 연구결과를 보유했으며 이 기술로 태양전지를 개발했습니다.

스푸티니크 3호 태양전지(검고 납작한 사각판)

소련은 스푸트니크 3호부터 태양전지를 인공위성에 부착해 에너지를 공급했습니다. 1958년 5월 15일 발사된 스푸트니크 3호는 뒷면 둥근 부분에 태양전지를 부착했습니다. 그래서 태양전지로 측정기와 통신기를 작동시켜 2년 동안 우주를 유영하며 소련에 우주에 대해 많은 정보를 제공했습니다.
 
 
 

• 우주에서 활개한 태양전지

우주에서 빛을 발한 태양전지

공허하고 사람이 갈 수 없는 우주에서 기계들의 에너지공급원은 태양전지가 우수했습니다. 그래서 더 좋은 인공위성을 개발하던 미국과 소련은 인공위성에 생명을 불어넣는 태양전지를 개발하고 발전시켜 효율을 향상시켰습니다. 태양전지는 우주경쟁 동안 눈부시게 발전했으며 프랑스, 중국, 일본도 우주개발에 뛰어들며 태양전지 기술을 독자연구개발했습니다.