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태양광 발전의 미래!

새로운 태양전지를 연구하라





 

태양은 우리에게 없어서는 안 될 필수 에너지원입니다. 지구에 살고 있는 모든 생물이 직간접적으로 태양의 빛과 열을 이용해 살아갑니다. 태양 에너지가 지구에 생물이 살게 하는 원동력인 것이죠. 무더위가 극심하다고 해서, 자외선이 피부에 좋지 않다고 해서 태양에 미사일을 쏘아댈 수 없는 이유입니다.

 

태양 에너지의 장점은 거의 무한하다는 것입니다. 태양이 사라지지 않는 한 우리는 태양 에너지의 도움을 받을 수 있습니다. 그래서 신재생에너지의 하나인 태양광 발전이 주목받고 있는 것이죠. 최근 화석연료를 기반으로 한 에너지 수급으로 지구 온난화가 확대되고 있는 만큼 태양광 발전 연구는 더욱 확대될 전망입니다.

 

이러한 태양광 발전의 핵심이 되는 기술이 바로 태양전지입니다. 태양전지는 태양 광선의 빛에너지를 전기에너지로 바꿔 주는 장치인데요. 오늘은 태양전지에 대해 알아보도록 하겠습니다.


 

어마어마한 에너지 덩어리, 태양



 

태양에너지가 고갈되려면 50억 년이 걸립니다. 사실상 고갈 걱정이 없다고 보면 됩니다. 태양에너지는 공짜입니다. 어느 누구도 태양을 소유하고 있지 않으니까요. 20일 동안 지구에 쏟아지는 태양에너지는 지구상의 전체 석탄, 석유, 천연가스가 만들어내는 에너지를 모두 합한 것과 같습니다. 태양은 세계 전체 인구가 1년간 소비하는 에너지를 단지 40분 만에 지구로 방출할 수 있습니다. 지구에 도달하는 태양에너지를 전력량으로 환산하면12,500GW라고 합니다. 이는 석유로 환산하면100조톤 가량입니다. 태양에너지는 게다가 친환경적이기까지 합니다.

 

태양에너지를 활용한다면 인류는 에너지 걱정 없이 살 수 있겠죠? 하지만 태양에너지를 활용하는 기술은 아직 비용 대비 효율이 좋지 않아 다른 에너지보다 경제성이 떨어집니다. 이 때문에 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양전지의 효율성이 매우 중요합니다.


 

태양전지의 탄생




 

1839년 프랑스의 물리학자 에드몬드 베크렐은 광전효과를 발견했습니다. 금속에 빛을 쪼였을 때 전자가 튀어나오는 현상이 광전효과인데요. 에드몬드 베크렐이 발견한 광전효과는 이후 아인슈타인에 의해 이론적으로 체계화됩니다. 이런 연구 덕분에 1880년 태양에너지를 전기에너지로 바꿔 주는 태양전지가 탄생합니다. 이 태양전지의 효율은 1% 정도였습니다.

 

태양전지는 1954년 미국의 벨연구소에 의해 대중화됩니다. 연구진은 반도체에서 특정 불순물을 포함한 규소가 빛에 민감하게 반응하는 것을 발견하게 되었죠. 이 발견을 토대로 벨연구소는 실리콘 기반의 태양전지를 만들어 효율을 4%까지 끌어올렸습니다.




 

태양전지는 지구보다 우주에서 먼저 활용되기 시작했습니다. 인공위성에 태양전지가 장착되기 시작한 것이죠. 인공위성에 장착된 태양전지는 화학전지보다 훨씬 효율적이었습니다. 우주탐사선에도 태양전지가 설치됩니다. 태양전지가 없다면 우주탐사선은 지상과의 통신을 꿈도 꿀 수 없을 겁니다.

 

하지만 태양전지는 값싼 석유와 석탄 연료에 밀려 땅 위에서는 아직 힘을 쓰지 못하고 있습니다. 현재 태양전지의 효율은 20%대이고, 시스템 가격도 높은 편입니다. 태양전지에 사용되는 실리콘 재료도 문제입니다. 실리콘 태양전지를 만드는 데 지나치게 많은 에너지가 소모되기 때문입니다. 아이러니하게도 신재생에너지를 생산하기 위해 엄청난 화석연료를 소비해야 하는 것이죠.


 

새로운 태양전지 기술에

태양광 발전의 미래가 달렸다




 

신재생에너지 시대로의 전환을 위해 더 저렴하면서도, 더 효율적인 태양전지 기술이 필요해졌습니다. 요즘에는 페로브스카이트 태양전지가 주목받고 있습니다. 페로브스카이트는 AMX3(A는 양이온, M은 금속 양이온, X는 음이온)형 큐빅 구조를 갖는 물질입니다.

 

이렇게 어려운 물질이 태양전지에 적용된 것은 2009년부터입니다. 당시 효율이 3~4%에 불과했는데요. 이 전지 개발은 우리나라의 박남규 교수가 액체 전해질 대신 고체 홀전도체를 사용, 안정적으로 구동하는 페로브스카이트 태양전지를 구현했습니다. 박남규 교수가 구현한 태양전지는 20129.7%의 효율을 기록했습니다. 2015년 울산과학기술원의 연구로 페로브스카이트 태양전지의 효율은 20% 이상 증가했고, 올해에는 22.1%까지 높아졌죠. 현재 상용화된 실리콘 태양전지의 효율은 25.3% 정도인데요. 전문가들은 머지않아 페로브스카이트 태양전지의 효율이 실리콘 태양전지를 따라잡을 것으로 보고 있습니다.




 

이름도, 정의도 어려운 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 원가가 저렴하고, 고가의 진공장비를 필요로 하지 않습니다. 학계에서는 페로브스카이트 태양전지 제조비용이 실리콘 태양전지의 절반 수준이 될 거라고 예상하고 있습니다. 올해 10월에는 포스텍 연구팀이 친환경적 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 만드는 기술을 개발했습니다. 지금까지 페로브스카이트 태양전지는 건강에 악영향을 미치는 클로로벤젠을 사용해 만들었는데요. 이번 연구를 통해 천연 식품첨가제로 더욱 안전하게 태양전지 제작이 가능해졌습니다. 새로운 태양전지 개발에 우리나라 연구자들이 크게 활약하니 왠지 모르게 뿌듯하네요!

 

현재 페로브스카이트 태양전지 개발에 가장 큰 과제는 내구성입니다. 페로브스카이트 태양전지는 빛이나 고온에 장시간 노출되면 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있습니다. 하지만 전 세계 연구자들이 노력하고 있는 만큼 더 저렴하고, 더 효율적인 태양전지를 활용한 태양광 발전 시대가 오는 날이 곧 찾아올 것으로 보입니다




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