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(지난 기사에서 이어집니다 https://blog.kepco.co.kr/1660)

 

한전, 세계 최대 광전변환효율 태양전지 개발! -1-

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 소..

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지난 글에서는 태양전지의 작동 원리와 종류, 그리고 차세대 태양광 발전 방식으로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지에 대해 알아보았습니다. 한국전력이 최근 세계 최고의 효율을 가진 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다는 소식도 전해드렸는데요.

 

오늘 글에서는 태양전지의 역사와 함께 페로브스카이트 태양전지에 대해 더 자세히 소개하겠습니다.

 


 

태양전지의 역사

 

[1세대 태양전지 : 단결정 실리콘]

태양전지를 전기에너지로 변환하는 연구는 19세기 초에 시작됐습니다. 1839, 프랑스의 물리학자 에드몬드 베크렐은 태양빛이 전기로 바뀌는 광기전력 효과를 처음 발견했습니다. 이후 아인슈타인은 이 광전효과를 이론적으로 설명한 공로로 1921년 노벨물리학상을 수상했는데요. 이 광전효과가 발견된 후 1880년대에 태양전지가 최초로 탄생했답니다. 하지만 그 효율은 1%도 채 되지 않았죠.

 

 

현재 노키아가 인수한 벨 연구소. ⓒ노키아 벨 연구소 타임라인 홈페이지 https://www.bell-labs.com/timeline/#/1950/1/open/

 

 

지금 우리가 흔히 보는 형태의 태양전지는 1954년 미국의 벨연구소에서 탄생했어요. 반도체에 관한 실험 도중, 불순물을 포함한 실리콘(규소)이 햇빛에 반응하는 현상을 발견하면서부터죠. 

 

실리콘은 현재도 반도체의 원재료로써 널리 활용되고 있어요. 매장량이 많고 초크랄스키 공법을 통해 단결정으로 가공하기 용이해 태양전지의 연료로도 많이 사용되고 있죠. 하지만 실리콘으로 태양전지를 만드는 과정에는 1,000도 이상의 고온 생산 공정이 필요해요. 그렇기 때문에 생산단가가 높아질 수밖에 없죠. 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 태양광 패널이 바로 이 폴리실리콘웨이퍼를 이용한 1세대 태양전지입니다.

 

 

ⓒ유토이미지

 

 

 

[2세대 태양전지 : 박막형 태양전지 & 염료 감응형 태양전지 (DSSC)]

 

박막형 태양전지는 유리·플렉서블 기판 위에 빛을 흡수하는 반도체 소재를 얇게 붙인 태양전지랍니다. 실리콘 박막, GIGS 등이 여기에 속해요. CIGS란 Cu(구리), In(인듐), Ga(갈륨), Se(셀레늄) 등으로 구성된 화합물 반도체를 이용한 태양전지예요. 결정질 실리콘에 비해 광흡수율이 높아 얇은 두께만으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능해요. 삼성SDI, LG이노텍 등의 기업에서 개발을 시도했으나, 태양광 시장 침체로 인해 더 이상 발전이 이뤄지지 못했죠.  

 

염료 감응형 태양전지(DSSC, Dye Sensitized Solar Cell)는 1991년 스위스의 Gratzel 교수가 태양전지의 생산 비용을 줄이기 위해 연구를 하던 중 탄생했습니다. 식물의 엽록소와 같은 색을 띠는 물질로부터 에너지를 얻을 수 없을까?라는 아이디어에서 시작됐는데요. 빛으로부터 전기를 만드는 물질(염료)을 기판 위에 얇은 막처럼 씌우면 태양광에 반응하는 광감응 염료가 태양광을 흡수해 전기를 발생시킵니다. 마치 식물이 엽록소에서 에너지를 생성하듯, 기판 위 염료가 전기를 생산하는 거죠.

 

이 염료 감응형 태양전지는 생산 단가를 줄이는데 성공했어요. 하지만 염료가 잘 휘발되기 때문에 기판의 수명이 짧고 효율이 점점 떨어진다는 치명적인 단점을 가지고 있죠. 결국 상용화 단계로 넘어오진 못하고 있습니다.

 

 

염료감응형 태양전지(DSSC)는 사용하는 염료의 색상에 따라 색상변경이 가능합니다. ⓒ클립아트

 

 

[3세대 태양전지 : 페로브스카이트 태양전지]

페로브스카이트는 1839년 러시아의 우랄산맥에서 새로 발견된 광물입니다. 두 종류의 양이온과 하나의 음이온이 1:1:3의 비율로 혼합되어 결정을 형성하는 구조인데요. 이러한 구조의 산화물은 전기적 특성이 우수하여 다양한 방면으로 연구됐어요.

 

2009, 일본 토인요코하마 대학의 미야사카 쓰토무 교수가 처음으로 페로브스카이트를 태양전지로 활용하는 방법을 찾았어요. 이후 태양전지에 페로브스카이트 기술이 본격적으로 도입됐습니다.

일본에서 개발한 초기 페로브스카이트 태양전지는 액상 페로브스카이트 결정을 사용해 제작됐는데요. 최대 3.81% 효율에 그치고 말았습니다. 이후 2012, 성균관대학교의 박남규 교수진이 초기 액체 형태를 고체로 바꾸면서 효율을 최대 9.7%로 높일 수 있었죠. 이후 본격적으로 사용된 페로브스카이트 태양전지는 효율뿐만 아니라 안정성까지 높다는 평가를 받았는데요. 이 사실이 학계에 널리 알려지면서 제 3세대 태양전지로 주목받게 됐습니다.

 


 

 

페로브스카이트 태양전지의 활용 방안

 

우리나라에서는 한국화학연구원(KRICT)과 한국전력연구원(KEPRI) 뿐만 아니라 일반 기업에서도 활발한 연구개발이 진행되고 있습니다. 그래서 한국의 태양전지 개발 수준은 세계 상위권인데요.

 

 

페로브스카이트 태양전지의 응용분야 ⓒ전력연구원 사보 2019년 5월호 23페이지

 

페로브스카이트 태양전지는 쉽게 설치가 가능해 향후 휴대용 전자기기에도 부착이 가능하리라 기대를 모으고 있습니다. 원료를 잉크처럼 칠하면 필름처럼 얇게 만들 수 있어서 유연하게 구부릴 수도 있고요. 무게 또한 가벼워서 기존 실리콘 전지를 설치하기 힘들었던 빌딩 벽면이나 기둥, 자동차 지붕 등에도 설치할 수 있답니다.

 


 

페로브스카이트 태양전지의 기대 효과

 

최근 전력연구원이 개발에 성공한 세계 최고 효율의 평판형 페로브스카이트 태양전지 ⓒ한국전력 홈페이지 보도자료

 

페로브스카이트 태양전지가 상용화된다면 어떻게 될까요? 우선 현재까지 태양전지를 설치하지 못했던 장소에서도 발전이 가능해질 거랍니다.

 

소비전력이 많은 빌딩 등의 외관에 부착해 전력을 생산하는 역할을 맡겠죠. 또한 태양전지를 드론에 부착한다면 장기간 운행이 가능해 기존 드론의 한계점을 해결해 줄 수도 있을 거고요. 옷, 가방 등에 부착돼 전선 없이 스마트폰 등의 전자기기 충전도 가능하게 될 거예요.

 

 

머지않은 미래, 더욱 흔해질 웨어러블 태양전지 ⓒ클립아트

 

 

미래의웨어러블(Wearable)’, ‘프린터블(Printable)’ 태양전지 시대를 열 차세대 태양전지, 페로브스카이트! 재생 에너지 발전의 획기적 전환점이 되도록 한국전력이 꾸준히 연구 성과를 내길 바랍니다.

 

 

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