기존 태양전지의 한계를 극복하다
[인터뷰] 석상일 한국화학연구원 박사

지금 지구는 이산화탄소와의 전쟁을 선포하고 있다. 나날이 높아지는 환경오염의 위험성 때문에 전 세계는 이산화탄소 배출 규제 등에 대한 회의를 진행하며, 이에 대한 조치에 적극적인 행보를 보이고 있는 것이다.

이런 가운데 이산화탄소가 배출되는 화학에너지를 넘어, 환경에 무해한 청정에너지에 대한 관심이 뜨겁다. 특히 태양전지 기술은 태양에너지를 활용하는 기술로서 지구환경을 보호하고 미래 에너지 공급 문제를 동시에 해결할 수 있다는 점에서 그 중요성이 강조된다.

시대적 필요성에 의해 다양한 종류의 태양전지가 개발되고 있지만 기존의 태양전지는 광전변환 효율이 기대보다 낮고, 제조비용 역시 높아 실질적으로 활용하기에 많은 어려움이 있었다.

차세대 태양전지 기술의 개발

국내 연구진이 기존 태양전지의 한계를 극복한 고효율․저가격 및 고(高)내구성의 태양전지 제조기술을 개발해 주목을 받고 있다. 한국화학연구원 석상일 박사 연구팀이 새로운 플랫폼의 무기·유기 하이브리드 이종 접합 태양전지 제조기술을 개발했다. 연구 결과는 ’네이처 포토닉스지(Nature Photonics)’ 온라인 판에 게재됐다.

석상일 박사의 이번 연구는 무기·유기 소재의 장점과 나노구조의 장점, 더불어 화학적 용액 공정의 장점을 상호 유기적으로 결합해 효율이 높고 가격이 저렴하면서 내구성도 우수한 차세대 태양전지기술을 성공적으로 구현한 것이다.

여기서 ‘차세대 태양전지 기술’이란 기존의 태양전지를 대체 하는 기술로, 기존의 실리콘(Si) 혹은 박막태양전지(CIGS)와 같은 고순도의 무기 물질을 고온 혹은 고진공 공정을 통해 가공해 제작한다. 저렴한 가격에 높은 효율 등 우수한 성능을 갖추고 있기 때문에 많은 과학자들에 의해 연구가 진행되고 있다.

“지금까지 가장 많이 연구된 것은 유기 태양전지와 염료감응태양전지가 있습니다. 최근에는 양자현상을 적극 활용 할 수 있는 양자점 태양전지도 포함되고 있죠. 하지만 유기태양전지와 염료감응태양전지 혹은 양자점 태양전지는 아직 효율이 낮고 액체 전해질을 사용해 계면의 빠른 열화로 내구성이 낮다는 문제점이 지적되고 있습니다.

이번 연구에서는 기존의 문제점을 동시에 모두 해결 할 수 있는 새로운 형태의 태양전지 플랫폼(platform) 기술을 제안한 셈이죠. 실제 효율적인 측면에서도 차세대형 태양전지 중 가장 높은 12% 이상을 달성했습니다.”

석상일 박사팀의 ‘무기·유기 하이브리드 이종 접합 태양전지’란 이름 그대로 무기물과 유기물이 서로 접합한 상태의 태양전지를 말한다. 태양전지가 작동하기 위해서는 광(光)에 의해 생성된 전자와 홀쌍이 분리돼야 하는데, 이러한 분리는 전자가 풍부한 재료와 홀이 풍부한 물질이 서로 접합하고 있을 때 일어나게 된다.

개발된 기술은 기존 실리콘 태양전지처럼 단일 물질로 구성되지 않고, 서로 다른 물질인 무기물과 유기물이 서로 접해 있어 ‘이종 접합’이라는 명칭을 사용하는 것이다.

이번 기술은 구조와 공정 모두가 매우 단순하다는 점이 특징이다. “무기물로 구성된 나노구조의 광전극에 용액공정을 이용한 결정성 무기·유기 하이브리드 소재를 광흡수체로 충진(充塡) 합니다. 이후 나노컴포지트 상부에 용액공정을 이용한 홀전도성 공액 고분자를 도입하죠. 이 공정은 매우 단순한 것인데, 추후 제조공정의 최적화에 따라 15% 이상의 효율도 기대할 수 있을 것으로 보입니다.”

태양전지의 패러다임을 바꾸다

▲ 무기·유기 하이브리드 이종접합 태양전지 디자인의 모습. 개발된 태양전지의 구조를 나타내고 있다.
ⓒ한국화학연구원