줄줄 새는 태양에너지? 햇빛 퍼담는 태양전지 기술 나왔다

건물 외벽·차량 선루프 설치 가능한 저렴하고 유연한 핵심소재 개발
UNIST 석상일 교수팀, 페로브스카이트 태양전지 광활성층 성능·안정성 향상
이온 바꿔 구조 변형 최소화 25.17% 발전효율 기록 … Science 논문 게재

석상일 교수팀에 의해 개발된 광활성층의 구조 및 페로브스카이트 태양전지 작동 원리.

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 가공할만한 최고의 재생에너지는 태양광. 재생에너지 연구자의 눈에는 지구를 내리쬐는 태양볕 만큼 에너지가 줄줄 새고 있는 것이다. 이런 에너지를 퍼담는 기술은 언제 가능할까?

세계 최고 권위 과학저널인 사이언스(Science)誌에 10월 2일자 온라인으로 공개된 한 연구가 이 질문에 대한 답을 제시하고 있어 주목된다.

건물 외벽과 지붕, 차량 선루프 등 태양 빛이 닿는 모든 곳에 태양전지를 부착해 전기에너지를 손쉽게 얻는 시대가 가까이 온 것이다.

저렴하고 유연한 ‘페로브스카이트 태양전지’의 발전효율과 안정성을 동시에 끌어 올릴 수 있는 핵심 기술이 개발됐기 때문이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 석상일 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 광활성 층의 미세 구조 변형을 최소화해 발전효율과 안정성을 모두 잡을 수 있는 기술을 개발했다.

연구진은 광활성 층을 구성하는 입자(이온)간 크기를 고르게 맞춰주는 새로운 방법으로 내부 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 발생하는 문제점을 해결했다.

유니스트 석상일 교수.

석 교수팀의 페로브스카이트 태양전지는 논문으로 보고된 최고 효율인 25.17%의 발전효율을 기록했다.

페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 건물 외벽이나 주행하는 차량에 설치할 수 있다는 장점이 있다.

햇볕 각도에 영향을 덜 받고 가볍기 때문이다. 게다가 저온에서도 쉽게 제조할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지가 상용화된다면 재생에너지의 패러다임이 바뀌는 역사적 전환을 뜻한다.

실리콘으로 만드는 기존 태양전지는 값비싼 장비를 이용해 섭씨 1400도 이상 고온에서 처리해야 하는 반면, 페로브스카이트는 저렴한 장비로 섭씨 100도 정도의 낮은 온도에서 액체용액으로 처리가 가능하다.

또 유연한 플라스틱을 비롯한 다양한 기판에 부착할 수 있어 강성이 높은 실리콘 웨이퍼와는 달리 활용도가 높다.

학계에 따르면 페로브스카이트 태양전지 전지 상용화에서 제일 중요한 과제는 안정성과 효율을 모두 갖춘 광활성 층 소재를 개발하는 것이다.

광활성 층은 태양광을 받아 전하(전기) 입자를 만들고 이를 전극으로 보내는 중요한 역할을 한다. 이때 물질 내부 미세 구조에 결함(vacancy)이 많으면 전하 입자 전달 효율이 떨어지는 문제가 있다. 결함에서 전하 입자가 사라지기 때문이다.

석상일 교수팀은 광활성 층인 페로브스카이트를 구성하는 이온의 종류와 비율을 바꿔 내부 결함을 줄이고 화학적 안정성을 높였다.

결함의 주요 원인을 이온 크기가 서로 맞지 않아 발생하는 구조적 변형으로 봤다.

크기가 큰 이온이 여러 개 있으면 내부의 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 결함이 생기는 것이다. 마치 건축물의 철골 구조가 비틀어지거나 기울어지면 특정 부분이 파손돼 전체를 불안정하게 만드는 이치다.

개발된 페로브스카이트 소재는 내부의 압력과 변형이 완화돼 구조적 안정성을 얻었을 뿐만 아니라 결함이 적어 전지가 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율이 높다.

이온의 조성과 비율에 따른 전지의 성능 표현도.

연구진은 이를 통해 25.17%의 높은 효율(공인 인증 효율 24.44%)을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 얻을 수 있었다.

석상일 교수는 “페로브스카이트 구조와 물질에 관한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 광활성 층 소재를 개발할 수 있었다”며 “소재 원천 기술을 확보했다는 점에서 향후 차세대 태양전지 시장에서 기술적 우위를 차지할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 미래창조과학부 리더연구사업, 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지스스템연구단)과 기후변화대응사업의 지원 등으로 수행됐다.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr