지구는 태양열을 많이 받습니다.
무려 173,000 TW(테라와트)입니다.
지구의 모든 사람이 사용하는 에너지보다 10배 큰 수치입니다.
그렇다면 전 세계 사람들이
태양 에너지만 쓰는 날이 올까요?
이 질문에 답하려면
먼저 태양 전지판이 태양 에너지를 전기 에너지로 어떻게 바꾸는지 알아야죠.
태양 전지판은 '태양 전지'라 불리는 작은 장치로 구성됩니다.
태양 전지의 일반적인 재료는 실리콘이며
지구에서 두 번째로 많은 원소인 규소로 만듭니다.
태양 전지 안에는
두 전도층 사이에 결정질 실리콘이 있습니다.
각 규소 원자는 네 방향으로 단단히 연결되면서
전자들이 제자리에 있기 때문에 전류가 흐르지 않습니다.
이게 바로 핵심 원리입니다.
규소 태양 전지에 두 개의 다른 규소층을 사용하면
n형 실리콘은 전자가 남고
p형 실리콘은 전자가 들어갈 '구멍'이라 불리는 공간이 남습니다.
두 가지 실리콘이 합쳐지면
pn 접합을 따라서 전자들이 돌아다닙니다.
한 쪽은 양극이 되고
다른 쪽은 음극이 됩니다.
빛은 광자라고 불리는
작은 입자들의 흐름으로 태양에서 나오는 것으로 보면 됩니다.
충분한 에너지를 가진 광자가 실리콘 전지와 충돌하면
전자들의 결합을 깨면서 구멍이 만들어집니다.
음전하와 양극을 띤 구멍이
이제 자유롭게 움직입니다.
하지만 pn 접합의 전기장 때문에
오직 한 방향으로만 갑니다.
전자가 n형으로 끌려가고
구멍은 p형으로 끌립니다.
움직이는 전자들은 전지 앞쪽 금속판으로 모이고
외부 회로로 흐르면서
전구를 켜는 것같은 전기적 작용을 하고
뒤쪽에 있는 도체인 알루미늄판으로 들어갑니다.
실리콘 전지 하나는 겨우 0.5볼트를 생산하지만
전지들을 한데 엮으면 전기를 더 만들 수 있습니다.
태양 전지 12개로 휴대폰을 충전할 수 있고
전지판이 더 많다면 집 전체에 전기를 공급할 수 있죠.
전자들은 태양 전지 안에서만 움직이고
나왔던 곳으로 되돌아갑니다.
닳거나 소모되는 일이 없죠.
그래서 태양 전지는 몇 십 년간 쓸 수 있습니다.
그럼 모든 전기를 태양 에너지로 만들지 않는 이유가 뭘까요?
지금은 정치적인 이유로
현재 상태를 유지하기 위한 로비의 요소는 잠시 제쳐두고
우선은 물리적인 것과 수송의 문제에 집중해 볼까요?
너무나 명백하게도
태양 에너지는 지구 전체에 골고루 닿지 않습니다.
어떤 지역은 다른 지역보다 햇빛이 더 많이 내리쬡니다.
그 양이 일정하지도 않습니다.
흐린 날이나 밤에는 태양 에너지를 사용하기 힘듭니다.
그래서 태양 에너지만 쓰려면
맑은 지역에서 흐린 지역으로 전기를 효율적으로 옮기는 방법과
효과적인 에너지 저장소가 필요합니다.
전지 자체의 효율성도 또 다른 문제입니다.
햇빛이 흡수되지 않고 반사돼서
제자리를 벗어난 전자들이 회로를 돌기 전에 구멍으로 가면
광자의 에너지는 사라집니다.
가장 효율적인 태양 전지는
햇빛의 46%만 이용가능한 전기로 바꿀 수 있고
현재 상업적으로 가능한 시스템은 효율이 15~20% 입니다.
이런 한계점이 있지만
사실 현재의 과학 기술로
전 세계에 태양 에너지를 공급하는 건 가능합니다.
기반 시설을 짓는 데 쓸 비용과
넓은 부지만 있다면요.
필요한 부지는 수 만에서 수 백만 제곱마일 정도로
부지가 많이 필요해 보이지만
사하라 사막만 해도 3백만 제곱마일 (약 482만 제곱킬로미터)이 넘습니다.
그동안 태양 전지는 좀 더 나아지고 저렴해지면서
기존에 쓰던 전기와 비교할 정도로 발전했습니다.
혁신적인 태양열 부지는 풍경을 완전히 바꿀지도 모릅니다.
이론적인 사고 실험을 잠시 멈추고
한 가지 명백한 사실은 10억 명이 넘는 사람들이
전기 공급을 제대로 받지 못 한다는 겁니다.
특히 햇볕이 많이 내리쬐는
개발도상국이 심합니다.
이 같은 곳에서
태양 에너지는 석유 같은 다른 에너지보다 싸고 안전합니다.
하지만 흐린 날이 많은 핀란드나 시애틀은
효율적인 태양 에너지를 쓰기가 어려워 보입니다.