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ⓒ클립아트

 

 

재생에너지의 중요성이 날로 높아지고 있는 시대입니다. 다양한 종류의 재생 에너지 중 태양광 에너지가 가장 널리 알려져 있으며 인기도 좋죠. 태양이 뜨는 장소라면 어디서든 발전이 가능하고, 탄소 배출과 소음이 없는 친환경 무공해 에너지이기 때문입니다.

 

최근 연구진들 사이에서는 태양광 에너지 발전의 효율을 더 높이기 위한 연구가 한창입니다. 여기서 효율이란 광전변환효율을 의미합니다. 받아들이는 태양광 에너지로부터 얼마나 많은 에너지가 만들어지는가를 뜻하는데요. 효율이 높을수록 같은 시간 동안, 같은 양의 발전판으로 더 많은 전력을 생산할 수 있겠죠. 계산식은 셀 변환효율(%) = 최대출력 ÷ 모듈의 전체면적 x 조사강도 x 100(%) 입니다.

 

하지만 기존 태양광 시장의 90% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 효율 증가가 한계에 달했습니다. 이에 대한 대안으로 주목받고 있는 태양전지가 바로 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지랍니다. 이 전지는 실리콘 태양전지에 비해 효율이 매우 높아서 미래 재생에너지 산업계의 유망 기술로 꼽히고 있죠.

 

 


 태양전지의 작동원리는?

 

페로브스카이트 태양전지에 대해 소개하기에 앞서, 태양전지의 작동원리부터 소개드리겠습니다.

 

ⓒ유토이미지

 

태양전지 제작을 위해서는 P형 반도체와 N형 반도체*가 필요합니다. 태양전지에 빛을 비추면 전지 내부에 전자와 정공이 발생하는데요. 이때 발생된 전자는 +극으로 정공은 -극으로 이동합니다. 이 작용에 의해 +극과 -극 사이에 전위차가 발생되고, 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된답니다. 이를 광전기력 효과라고 부르는데요. 현재 관용적으로 태양광 발전과 동일한 의미로 통용되고 있습니다.

 

 

* 여기서 잠깐! P형 반도체와 N형 반도체란?

 

반도체는 외부 자극(온도)에 따라 전도성을 조절할 수 있는 물질입니다. 오늘날 우리가 사용하는 거의 모든 전자제품에 들어가 있어서, ‘전자산업의 쌀이라는 별명으로 불리는데요. 그 성분에 따라 순수한 실리콘으로 만들어진 고유 반도체와 적절한 불순물이 첨가된 불순물 반도체로 나눌 수 있습니다. 이 불순물 반도체에는 전류가 아주 잘 흘러요.

불순물 반도체는 N형 반도체와 P형 반도체로 나눌 수 있습니다. N형 반도체란 인, 비소, 안티모니, 비스무트 같은 가전자가 5개인 물질이 규소와 결합된 반도체입니다. 규소의 가전자는 4개이므로 N형 반도체에서는 자유전자가 하나 남아 이동하게 되죠.

 

P형 반도체는 N형 반도체와 반대되는 성격을 가지고 있습니다. 가전자가 3개인 붕소를 규소와 결합시켜 만드는데요. 이에 따라 전자 하나가 부족하게 되고, 이렇게 빈 전자의 자리를 양공이라고 부른답니다. 옆에 있던 전자를 떼어 와 양공을 메우면 그 자리에 새로운 양공이 생기고요. 이러한 과정이 연쇄적으로 반복된다면? 많은 전자가 움직이면서 양공의 위치가 전자의 방향과 반대로 움직이는 것처럼 보이게 돼요. P형 반도체는 이렇게 양공이 이동하면서 전류가 흐를 수 있도록 만든 반도체랍니다.

 

 


 

태양전지의 종류

 

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태양전지의 종류는 굉장히 다양합니다. 대표적인 종류 중 첫 번째는 결정 실리콘 태양전지입니다. 얇은 태양전지 셀 여러 개를 직렬로 연결해 자유전자를 모아 넓은 면적으로 대량 생산할 수 있죠. 가공이 쉬워 투명하게 만들 수 있으며 곡면이나 비탈면에도 적용할 수 있지만, 효율이 결정 실리콘에 비해 낮다는 단점을 가지고 있습니다.

 

다음으로는 다양한 화합물 태양전지입니다. 구리(Cu), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비소(As), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등에서 두 가지 이상의 재료를 조합해 반도체를 만듭니다이 전지도 실리콘 태양전지처럼 광흡수층에 빛이 내리쬐면 자유전자가 발생하고, 전압이 생기며 전류가 흐르는 기본 원리를 이용합니다. 실리콘 공급량이 줄어도 생산에 영향을 받지 않는다는 특징이 있는데요재료와 제조법이 다양하고 박막으로도 만들 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

 

(좌) 페로브스카이트 결정 구조를 가진 칼슘티탄산화물 / (우) 유·무기 하이브리드 페로브스카이트 ⓒ전력연구원 사보 2019년 3월호 24페이지

 

 

마지막으로 페로브스카이트 태양전지입니다. 천연 물질인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)처럼 특별한 결정 구조를 갖는 화합물이 주재료인데요. 균일한 결정을 만들어 금이나 은알루미늄 같은 금속 전극 위에 쌓고 투명전극으로 덮어서 만든답니다.

 

결정이 빛을 받으면서 전자를 생성하고생성된 전자가 전극으로 이동하면서 에너지 준위차가 발생해 전기가 흐르는 원리죠. 최근 몇 년 새 그 효율이 가파르게 상승해 주목받고 있는데요. 이를 연구하는 이들이 노벨상 수상 후보로도 거론될 정도로 큰 파급 효과를 가지고 있습니다.

 

기존에는 태양광 발전을 위해 실리콘 반도체를 주로 사용했습니다. 그중에서도 변환 효율이 20%로 높은 단결정 및 다결정 태양전지가 가장 각광받았는데요. 하지만 제조과정이 복잡하고 값비싼 장비를 이용해 생산 단가가 높다는 점, 섭씨 1,400도 이상의 고온에서 처리해야 한다는 단점 등이 문제로 제기돼왔습니다.

 

그래서 최근 과학자들은 페로브스카이트를 차세대 태양광 에너지 소자의 핵심 소재로 주목하고 있답니다.

 



페로브스카이트 태양전지만의 차별성은 무엇일까?

 

페로브스카이트의 화학식은 RMX3입니다. 이 물질을 원료로 사용하는 태양전지를 페로브스카이트 태양전지라고 부르는 거고요. 이 물질의 대표적인 특성이 바로 빛을 잘 흡수한다는 점입니다.

 

건물 일체형 태양광발전 시스템용 페로브스카이트 태양전지 ⓒ전력연구원 사보 2019년 5월호 24페이지

 

페로브스카이트는 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수할 수 있고 출력도 높습니다. 그뿐만 아니라 전하의 이동 능력도 우수하고, 재결합으로 유실되지 않는 등 태양전지로 적합한 특성을 가지고 있습니다. 게다가 저렴한 장비를 이용해 100도 정도의 상대적으로 낮은 온도에서 생산이 가능한데요. 이런 점 덕분에 실리콘 태양전지에 비해 훨씬 공정이 수월하다고 평가받는답니다.

 

또한 반투명하고 가볍기 때문에 건물 벽면, 발코니 등 건물 외장에 설치된 건물 일체형 태양전지에 적용하기 좋아요. 따라서 태양광을 설치할 땅이 부족하고 고층건물이 많은 국내에 적합한 발전 방식으로 꼽히고 있죠.

 


 

한국전력이 개발한 세계 최고 효율 태양전지 소식!

 

세계 최고의 광전변환효율을 가진 평판형 페로브스카이트 태양전지 ⓒ한국전력 홈페이지 보도자료

 

한국전력 역시 이 페로브스카이트 전지의 효율을 높이기 위해 연구를 진행하고 있는데요. 최근 전력연구원이 세계 최고의 광전변환효율을 가진 평판형 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했답니다. 지금까지 발표된 평판형 태양전지의 광전변환효율인 20.1%를 넘어 세계 최고 수준인 20.4%의 효율 달성에 성공한 거죠. 효율이 높을 뿐만 아니라 400도 이하의 공정을 통해 생산이 가능해 생산 비용이 훨씬 낮다는 장점도 가지고 있습니다.

 

- 다음편에서 계속 -

 

 

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