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[미래기술] 차세대 태양전지 기술의 개발

분류 :
뉴스|
글번호 :
95|
작성자 :
관리자|
작성일 :
2013.08.30 11:31|
조회수 :
420

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


석 박사팀의 연구결과는 무엇보다 기존 태양전지의 한계를 극복했다는 점에서 많은 주목을 받고 있다.

“지금의 태양전지 기술이 추구하는 목표는 높은 효율과 저렴한 가격, 그리고 높은 내구성입니다. 태양에너지는 무료로 사용할 수 있다는 점과 청정하다는 것이 가장 큰 장점이죠. 하지만 기존의 화석연료나 원자력 발전에 비해 쉽게 이용할 수 있는 형태로 변환하는 데는 아직 어려움이 많아요.

가격을 낮출 수 있다면 태양전지는 가장 이상적인 에너지원이 되는데, 제조 가격이 매우 높다는 게 문제였던 것이죠. 하지만 낮은 가격으로 제조될 수 있을 것으로 기대되는 유기 태양전지와 염료감응태양전지는 아직 효율도 낮고 내구성도 낮아 여러 문제점을 갖고 있습니다.”

석 박사팀의 연구는 태양전지가 동작하는 구조적 차별성 외에 용액공정이 가능한 소재의 합성과 결합에 의해 기존의 차세대 태양전지가 달성하지 못한 고효율과 높은 내구성을 구현했다는 점이 가장 큰 특징이다.

석상일 박사는 2007년부터 이번 연구를 진행했다. 기존의 태양전지가 가진 패러다임을 근본적으로 변화시킬 수 있는 새로운 연구를 고민하던 중에, 글로벌프론티어사업단과 화학연구원의 지원을 받아 그 고민을 실제 기술로 구현할 수 있게 된 것이다.

“차세대 태양전지 연구는 2007년부터 본격적으로 진행하기 시작했어요. 이번 연구는 핵심소재의 합성이 필요할 뿐만 아니라 소재 간 융합, 계면특성 제어 등 많은 요소기술의 결합이 요구되는 대표적인 다학제 연구 분야였죠. 여러 분야의 기술이 요구되는 연구는 많은 전문가들이 필요하기 때문에 일반적인 연구보다 어려움이 있었습니다.”

여기에 더해 연구 방법 역시 이전에 시도되지 않았던 방식이었기에 연구 초기에는 속도가 더뎌 인내심을 발휘해야 했다. 속도가 더딘 만큼 연구의 효율은 쉽게 오르지 않아 여러 번의 절망을 경험하기도 했다. 하지만 석 박사는 “원천성이 우수한 결과를 구현할 수 있던 것은 당시의 절망이 있었기에 가능했다”며 연구 과정 당시를 회상했다.

이렇게 진행된 연구는 기존의 태양전지가 해결하기 못한 ‘저가·고효율·고내구성’을 모두 해결하는 쾌거를 이룰 수 있었다. 새로운 플랫폼(platform) 기술의 제안과 실제 기술적 구현으로 태양전지의 새로운 패러다임을 연 것이다.

“개발된 기술은 다양한 분야에서 사용될 수 있을 것입니다. 당장은 대규모 발전용 태양전지에 사용되기보다 빌딩이나 지붕 위, 혹은 화려한 미관을 동시에 요구하면서 에너지 자립을 원하는 분야에 새로운 시장 창출이 기대 되고 있어요.”

이번 연구성과를 얻기 위해 석상일 박사팀은 평일과 휴일, 낮과 밤을 가리지 않고 연구에 매진했다. 그렇기에 뿌듯함도 크지만 앞으로의 연구계획으로 어깨는 더욱 무겁다고 했다.

“이번 연구를 통해 구현한 것은 태양전지 제조공정의 단순함입니다. 핵심소재를 만들기에 용이하고, 제조공정이 단순하다는 것은 역설적이게도 타 연구자들의 진입장벽이 매우 낮다는 것을 의미해요. 때문에 이 경쟁에서 지속적으로 우위를 점하기 위해서는 지금보다 더 많은 노력이 요구되겠지요. 앞으로도 더욱 연구에 매진해 좋은 결과를 내고 싶습니다.”

[출처] http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?todo=view&atidx=70342
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