서장원 화학연 박사가 태양전지 소자 작동시 결함을 비교하는 실험을 진행하고 있다. [한국화학연구원 제공]

태양은 전 인류가 1년간 사용 가능한 에너지를 매 시간마다 지표면에 쏟아 붓고 있는 무한한 천연 에너지의 보고다. 태양은 석유ㆍ천연가스 등의 화석연료처럼 고갈될 우려도 없고 환경오염문제도 없다.

하지만 이같이 막대한 태양에너지는 광합성을 하는 미생물과 식물이 태양에너지의 극히 일부를 이용할 뿐 대부분은 대기나 지표에서 반사돼 다시 저 멀리 우주로 향한다. 전문가들은 지구에 도달하는 태양에너지를 경제성 있게 활용하는 방법을 찾는다면 인류는 에너지 고갈 위협에서 벗어날 수 있을 것이라고 한다.

태양에너지가 미래에너지ㆍ친환경에너지로 주목받게 된 것은 급속한 기술발전이 이뤄진 태양전지가 절대적 역할을 했다. 태양에너지는 태양광과 태양열에서 나오는 에너지가 있는데 태양광을 직접 전기로 바꾸기 위해서는 태양전지가 필요하다. 태양전지는 물질이 빛에 노출됐을 때 전압이나 전류를 만들어내는 ‘광전효과’ 원리를 이용해 태양광으로부터 전력을 직접 생산해내는 방식으로 구동된다. 태양전지는 1세대 결정질 실리콘 태양전지, 2세대 화합물, 염료감응, 유기, CIGS(구리ㆍ인듐ㆍ갈륨ㆍ셀레늄) 등의 재질을 가진 박막태양전지, 3세대 나노, 양자점, 하이브리드 태양전지 등으로 나뉜다. 원료 및 화학소재 공정 기술 발전에 따라 에너지 효율이 높아지기 때문에 화학기술의 중요성이 매우 크다.

이와 관련 한국화학연구원은 이미 30여년전부터 태양전지의 가치와 중요성을 인식, 1세대부터 3세대 태양전지에 이르는 전 분야에서 보다 저렴하고 효율높은 화학소재와 공정개발에 역량을 집중해왔다.

화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사팀은 상용 전도성 고분자의 활용을 극대화하기 위한 신개념 페로브스카이트 박막기술을 도입해 고효율과 고안전성, 대면적화를 동시에 구현해 상용화에 대한 기대감을 높이고 있다.

이는 페로브스카이드 태양전지의 상용화 가능성을 한층 높였다는 평가를 받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 태양전지 시장의 약 95%를 차지하고 있는 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉽고 제작원가는 절반 수준인 차세대 태양전지다.

또 원료를 잉크처럼 칠하면 필름형태의 얇은 전지로 유연하게 구부릴 수 있고 가볍게 제작할 수 있다. 이런 특성으로 빌딩의 벽면이나 자동차 지붕 등 곡면에도 설치가 가능하다.

하지만 페로브스카이트 태양전지는 내구성이 약하고 소재의 가격이 비싸고 높은 전도를 확보하기 위한 첨가제의 안정성이 취약하다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(이중층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다.

연구팀은 태양전지 상용화에 필수조건인 고효율화 가능성도 제시했다. 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지 최고효율 26%에 근접했으며, 2세대 태양전지인 CdTe와 CIGS 태양전지 최고효율인 22.1%, 22.9%보다 높은 수치다.

서장원 박사는 “이번에 기록한 24.23%는 태양전지 충전율을 84%까지 끌어올려 달성한 것으로, 앞으로 전류만 상승시킨다면 효율 향상의 여지가 남아있다”면서 “앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발을 통해 상용화에 도전할 계획”이라고 말했다.

구본혁 기자/nbgkoo@heraldcorp.com