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ⓒ클립아트코리아

 

전 세계가 '탄소제로에너지시대'를 열기 위해 고군분투하고 있습니다. 태양광 발전은 신재생 에너지의 대표주자로 우리에게 친숙한 존재인데요. 태양전지는 태양에서 나오는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 장치랍니다. 태양광 발전의 핵심 장치죠! 연구진들은 이 태양전지의 효율을 더 높이기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 현재 태양광 시장의 90% 이상을 차지하는 태양전지는 실리콘 태양전지입니다. 제작 및 제어가 쉽고 다른 물질들보다 독성이 적은 동시에, 가격이 싸서 많이 사용되고 있습니다. 하지만 이 실리콘 태양전지는 효율 향상이 한계에 달했는데요 고효율의 태양광 발전을 위해 대안으로 주목받고 있는 것이 바로 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지입니다.

 

세계 최고의 효율을 가진 전력연구원의 페로브스카이트 태양전지 ⓒ한국전력 전력연구원

 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질을 에너지를 변환하는 반도체로 활용하여 전기를 생산합니다. 이 전지는 실리콘 태양전지와 비교하면 효율이 매우 높아서 고효율 에너지 생산 기술로 주목받고 있답니다.

 

하지만 페로브스카이트 태양전지는 물에 약한 수분 취약성이라는 고질적 문제가 있습니다. 그렇다면 비가 내리지 않는 사막에서 대규모 발전을 하면 되지 않겠느냐고요? 아쉽게도 사막과 같이 바람이 많이 부는 지역에서는 태양전지 표면에 모래 알갱이들이 많이 달라붙습니다. 전지에 입사하는 태양광의 양을 감소시키는 데 일조하게 되는데 이로 인해 태양 전지의 효율이 감소할 수 있죠.

 

또 사막은 비가 자주 오진 않지만, 일교차가 커서 새벽에는 이슬이 발생하게 되는데요. 이러한 수분들이 모래 알갱이들과 만나면 오염물질이 되어 태양전지의 표면에 증착하게 됩니다.

 

이 과정을 Soiling이라고 하는데 투과도 감소는 입자의 크기가 작을수록 더 심해집니다. 태양전지의 표면은 먼지나 모래 알갱이들을 잡아당기는 성질을 띠기 때문에, Soiling에 의한 출력 저하가 우려되는 상황이죠. 이 현상은 외부로 향하는 열 방출까지 저해하므로, 추가적인 문제를 야기합니다. 태양전지 자체 온도를 45℃로 유지하고 Soiling에 의한 효율 감소를 실제 측정한 결과, 약 8.41% 정도의 효율 감소가 발생했습니다.

 

문제를 해결하기 위해 ‘스프레이 방수 선크림’이 개발됐습니다! 물을 밀어내는 성질을 강화한 유기금속을 ‘초음파 스프레이 방식’으로 전지에 입히는 기술인데요.

 

UNIST 연구진(권태혁·서관용·장성연 교수팀)의 연구결과 ⓒUNIST 홈페이지

 

연구진들이 개발한 유기금속은 페로브스카이트에 쪼여지는 ‘자외선’을 가시광선으로 바꾸는 역할을 한다고 합니다. 전지에 유해한 자외선은 막고, 이를 페로브스카이트 전지가 흡수해 전력을 생산할 수 있는 형태의 가시광선으로 바꾼다고 합니다. 마치 우리의 피부를 태우는 것을 막기 위해 바르는 선크림이 자외선으로부터 피부를 보호하듯이 말이죠! 유기금속의 발수성을 강화하는 방식으로 수분과 자외선을 효과적으로 막으면서 효율을 끌어올렸습니다.

 

유기금속이 코팅된 전지는 50~60%의 높은 습도에서도 900시간 가까이 초기 효율을 유지했고, 전지 효율도 향상된답니다. 또 이 코팅을 적용하지 않은 전지의 경우 300시간 만에 자외선에 의해 효율이 반으로 줄어든 반면, 코팅이 적용된 전지는 처음의 효율을 유지합니다.

 

페로브스카이트 태양전지 효율 향상 결과 (UNIST 연구진(권태혁·서관용·장성연 교수팀)의 연구결과) ⓒUNIST 홈페이지

 

태양전지 스프레이는 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 불안정성 문제를 해결하는 동시에 전지의 효율을 높였습니다. 피부가 건조하거나 푸석하면 스킨로션이나 화장품을 통해 이를 방지하고는 하는데요. 태양전지를 보호하는 스프레이는 마치 방수 선크림과 같은 작용을 하니 신기하고도 친근감이 듭니다. 탄소 제로 에너지 시대를 위해 태양에너지 활용에 관한 다양한 연구가 계속해서 진행된다면 우리 인류는 우리의 계획보다 빨리 탄소로부터 자유로워지는 시대를 맞이할 수 있을지도 모르겠네요. 탄소없는 신재생에너지의 시대를 기대합니다.

 

 

 


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  • ABG 2021.01.29 12:22
    안녕하세요. 유기 금속을 코팅했을 때 발생하는 단점도 있나요?
  • 안녕하세요 전기사랑기자단 7기 송주경 기자입니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 유기금속의 기존 공정의 경우 한 번에 기판 한면(윗면)만 코팅이 가능하다는 단점이 있었으나, 울산과학기술원(이하 UNIST) 연구팀에서는 이러한 단점을 개선하기 위해 기판의 윗면과 측면을 동시에 코팅할 수 있는 방법을 개발하였습니다. 코팅방식은 미세 입자 상태의 용액을 압축 질소 기체를 이용해 얇게 코팅하는 방식입니다. 또한 공정하는데 드는 비용은 1m^2(1m x 1m)당 2달러(약 2,330원)로 연구에 참여하신 유니스트 장성연 교수님께서는 "최소한의 공정으로 경제성을 갖췄다."고 설명하셨습니다. 지금 당장은 페로브스카이트 태양전지에만 적용하고 있지만 다양한 태양전지에 적용 가능한 기술로서도 가치있는 연구를 진행하겠다고 하셨습니다 :)

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