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| 한국화학연구원 서장원 박사가 차세대 태양전지로 불리는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 상용화에 있어서 가장 중요한 대면적 서브 모듈에 대해 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
전 세계는 에너지 자원 고갈 문제를 해결하기 위해 ‘신재생 에너지’ 개발에 몰두하고 있다.
이 ‘신재생 에너지’의 대표적인 것이 태양광이며, 현재 사용하고 있는 태양광 전지인 실리콘 태양전지와 비교해 더 안정적이고 고효율인 차세대 태양전지를 개발하는데 경쟁이 치열하다.
특히 유·무기 하이브리드 성격을 가진 ‘페로브스카이트 태양전지’ 연구가 국내외적으로 활발한데, 세계 최고 수준 기술력을 보유하고 있는 한국화학연구원 서장원 박사를 만나 해외 차세대 태양전지 개발동향, 상용화 수준, 기대효과 등을 살펴본다. <편집자 주>
- 최근 자주 듣는 질문은?
▷ 자주 듣는 질문은 “상용화가 가능한가?”이다. 이에 대한 대답은 “전 세계적으로 상용화 과정이 진행되고 있다”고 말씀을 드린다.
페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 위한 조건을 말씀드리면 고효율화, 안정성 확보, 대면적 모듈화가 필요하다.
첫째, 고효율성은 현재 사용하고 있는 실리콘 태양전지의 효율성과 버금가고 있다.
둘째, 안정성 역시 최근 발표한 네이처 에너지 논문에서도 알 수 있듯이 고효율 소자에서 500시간 이상의 열적 안정성을 확보했고, 300시간 이상의 광 안정성도 확보해 놓은 상태다.
셋째, 서브 모듈의 대면적성은 이번 발표한 논문과 별도로 정부과제로 진행되고 있고, 내부적으로 5*5 크기부터 15*15 크기까지 모듈에 대한 연구를 진행했다. 이 연구결과는 차후에 발표할 예정이다.
이러한 조건들을 감안하면 상용화에 근접해 가고 있다고 볼 수 있다.
- 태양전지 유형과 페로브스카이트 태양전지의 특성은?
▷ 먼저 태양전지 유형을 말씀드리면 6가지로 구분할 수 있다.
이 유형에는 실리콘, 박막, 유기고분자, 염료감응, 양자점, 그리고 페로브스카이트 태양전지이다.
이중 실리콘이나 박막 태양전지는 현재 사용 중이고, 실리콘 태양전지가 현재 95%를 차지하고 있다.
그러나 실리콘 태양전지는 우수한 결정막 특성을 갖기 위해 복잡한 제조 공정이 필요하고 높은 효율을 나타내지만 무겁고 유연하지 않은 단점이 있다.
따라서 차세대 태양전지에 관심을 두게 되었고, 이 유형에는 유기고분자, 염료감응, 양자점, 페로브스카이트 등 4가지 유형이 있다.
특히 페로브스카이트에 집중하는 이유는 소재의 특성에 있다.
그 특성은 소재 가격이 저렴하고 전구체를 저온 용액 공정을 통해서 간단한 코팅과 열처리 공정만으로 우수한 결정 박막을 만들 수 있고 유·무기물을 혼합하여 또 다른 특성을 만들 수 있는 융합적인 특성을 가지고 있다.
이러한 특성으로 인해 국내외적으로 연구가 활발하게 진행되고 있고, 2009년부터 2012년 사이 10편도 안 됐던 논문이 2016년 이후에는 매년 2~3000편의 논문이 나오고 있다.
- 그동안 연구과정 중에서 어려웠던 시기는?
▷ 안정성 연구할 때가 가장 어려웠다.
‘왜 안정성 연구를 먼저 하였는가’에 대한 질문이 있을 수 있다. 이 대답은 연구원 특성 차원에서 이해하면 좋겠다.
한국화학연구원은 정부 출연 연구원이기에 차세대 태양전지를 개발하는데 다른 나라와 비교해 선제적 대응이 필요했고, 또한 상용화를 위해 시급히 해결해야 할 난제였기에 안정성 연구를 먼저 진행했다.
연구과정의 어려움을 좀 더 말씀을 드리면, 태양전지 단위 소자에 적용되는 페로브스카이트 활성 소재 외에도 전하-정공 수송 소재가 있는데 무-유기 반도체 소재 중에서 다양한 소재들을 적용해 봤다.
초기에는 대부분의 소자가 외부환경인 열, 수분, 산소 등에 구분없이 가속 조건에 노출될 경우, 모든 소자가 망가지는 것을 보았고, 그것을 어떤 부분에서 다시 검증할 지가 당시에는 엄두가 나지 않았다.
특히 매번 소자가 열화되는 것을 확인하는 과정이 힘들었다. 하지만 결국 그 과정 속에서 문제 해결의 단서를 찾게 되었고 실마리가 풀렸다.
그 단서는 결정적인 연구적 실마리와 연결이 되어 구체적으로 밝힐 수는 없지만, 그 단서가 없었다면 아직도 고생하고 있었을 것이다.
이 과정에서 우리 팀의 역량과 원의 노력이 결집됐다.
우리 팀원들의 전공분야를 보면 유기물 소재, 무기물 소재, 금속 소재 전공의 박사들이 모였다. 또한 유·무기 전문성에 따른 뚜렷한 특성을 가진 연구원의 조직적 특성이 더해진 것도 한몫했다.
연구과정들이 이어질수록 많은 이해도가 쌓였고, 다른 문제점이 생길 때마다 종합적으로 해결할 수 있는 연구능력을 가지게 됐다.
말 그대로 우리 연구 조직이 페로브스카이트 태양전지의 특성인 ‘하이브리드’와 똑같다.
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| 한국화학연구원 서장원 박사가 ‘페로브스카이트 태양전지’와 관련해 세계 최고의 기술을 보유하고 있음을 도표를 통해 설명하고 있다./아시아뉴스통신=이기종 기자 |
- 태양전지 상용화에 근접한 나라와 파급효과는?
▷ 먼저 상용화 측면을 판단하기 어렵지만 기술적 측면으로 말씀드리면, 대면적 모듈 개발 등 상용화에 보다 적극적인 연구를 진행 중인 나라는 영국, 벨기에, 스위스, 일본, 중국 등을 꼽을 수 있다.
특히 고효율화 기술력 부문은 스위스 로잔연방공대(EPFL)가 우리 화학연구원과 최고 기술을 확보하는데 경쟁을 하고 있고, 최근에는 중국(중국과학원)이 최고 효율(23.3%)을 기록해 더욱 치열한 경쟁이 되고 있다.
그 다음으로 페로브스카이트 태양전지의 파급효과를 말씀드리면, 활용도와 연계하여 이해할 필요가 있다.
첫째는 탠덤형이다. 실리콘 태양전지와 결합해서 사용하는 것으로써 이는 페로브스카이트가 가지는 특성으로 가시광선을 이용해 실리콘은 적외선을 받아 광전 효과를 낼 수 있다.
둘째는 독립형이다. 기존 실리콘 태양전지와 달리 가볍고 유연한 특성으로 인해 태양광 시장의 패러다임을 바꿀 수 있을 것으로 본다.
또한 페로브스카이트 소재는 두 종 이상의 할라이드 비율을 조절하여 다양한 색깔을 나타낼 수 있어서 건물외벽, 창호형 등에 적용하는데도 유리하다.
- 마지막으로 하고 싶은 말은?
▷ 우리의 최종 목표는 상용화이다.
이 목표에 최적화된 연구를 진행하고 있다고 자부한다. 그러나 이러한 자부심도 연구 차원이다.
특히 세계 최초로 상용화가 되기 위해서는 우리의 최고 기술력과 함께 보다 구체적인 사업화 모델을 바탕으로 기업의 참여가 필요하고 정부의 정책적 지원도 필요하다.
앞으로 차세대 태양전지는 기존에 보던 실리콘 등 1세대 태양전지와 다른 새로운 패러다임을 보여줄 것으로 기대하고 있다.
우리는 선진국들이 차세대 태양전지를 개발하는데 막대한 투자를 하고 있다는 것에 경각심을 항상 가지고 있다.
