中國이 掌握한 太陽電池市場… 1+1 技術로 넘어선다

東亞日報
入力 2017年 8月 25日 03時 00分

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次世代 ‘탠덤 電池’ 開發競爭

울산과학기술원 연구팀이 태양전지의 발전효율을 높이기 위해 실리콘-페로브스카이트 탠덤 태양전지를 연구하고 있다. 왼쪽부터 석상일, 송명훈, 최경진 교수. — 蔚山科學技術院硏究팀이 太陽電池의 發電效率을 높이기 위해 실리콘-페로브스카이트 탠덤 太陽電池를 硏究하고 있다. 왼쪽부터 石像일, 송명훈, 최경진 敎授.

검게 빛나는 실리콘 太陽電池 위로 얇고 透明한 太陽電池를 쌓았다. 두 太陽電池는 性質이 달라 서로 다른 波長의 빛을 吸收한다. 같은 面積으로도 더 많은 빛 에너지를 吸收할 수 있어 한 種類의 太陽電池만 쓸 때보다 效率이 더 높다.

石像일 蔚山科學技術院(UNIST) 에너지및化學工學部敎授팀은 두 種類의 電氣를 겹치는 方式으로 開發한 效率 좋은 ‘탠덤’ 太陽電池技術을 이르면 下半期國際저널에 發表할 豫定이다.

탠덤 太陽電池는 둘이 함께 타는 탠덤 自轉車처럼 두 種類를 겹쳤다고 해서 붙인 이름이다. 昔敎授는 “太陽電池效率世界最高記錄인 23.6%에 近接한 效率을 얻었다”며 “韓國도 本格的으로 次世代太陽電池硏究에 參與한 셈”이라고 말했다.

연구팀이 제작한 탠덤 전지는 미국, 영국 연구진이 보유한 세계 최고 발전 효율과 유사한 성능을 보이는 것으로 알려졌다. 울산과학기술원(UNIST) 제공 — 硏究팀이 製作한 탠덤 電池는 美國, 英國硏究陣이 保有한 世界最高發展效率과 類似한 性能을 보이는 것으로 알려졌다. 蔚山科學技術院(UNIST) 提供

昔敎授팀이 開發하고 있는 것은 具體的으로는 실리콘-페로브스카이트 탠덤 太陽電池다. 昔敎授는 페로브스카이트 太陽電池를 世界에서 가장 잘 만드는 科學者로 먼저 이름을 얻었다. 올해 3月엔 20.1%, 6月엔 22.1%의 世界最高發展效率을 記錄하며 잇달아 ‘사이언스’에 論文을 發表했다. 이 技術力을 바탕으로 같은 學校에서 太陽電池融合技術을 硏究해 온 최경진 敎授, 有機太陽電池專門家 송명훈 敎授와 팀을 이뤄 실리콘-페로브스카이트 탠덤 太陽電池를 만들었다. 昔敎授팀은 美國과 英國의 共同硏究팀이 세운 23.6%라는 世界最高效率에 近接한 效率을 올리고 있는 것으로 알려졌다.

昔敎授팀은 2020年까지 發展效率 25%를 達成하고, 商用化技術까지 確保할 豫定이다. 旣存 실리콘 太陽電池를 크게 바꾸지 않고 탠덤 太陽電池를 만드는 것이 主要目標다. 技術이 完成되면 실리콘 太陽電池製造業體가 裝備를 바꾸지 않고 追加로 다른 種類의 太陽電池를 덧붙이기만 해 旣存보다 6∼10% 效率이 높은 太陽電池를 만들 수 있게 된다.

家庭이나 産業界에 이미 設置된 太陽電池를 改良하는 方法도 생각하고 있다. 崔敎授는 “이미 完成된 실리콘 太陽電池에 페인트처럼 덧바르거나 追加設置할 수 있는 페로브스카이트 太陽電池部品開發을 苦悶中”이라고 밝혔다.

지난해 太陽電池價格은 에너지 業界의 豫想을 뒤엎었다. 太陽電池로 電氣를 만드는 데 1W當 0.30∼0.35달러가 들 것으로 봤으나 實際로 0.23달러면 充分했다. 太陽電池原料인 稀土類가 豐富하고 人件費가 싼 中國이 市場에 뛰어들면서다. 太陽電池價格暴落으로 4月엔 美國 3代太陽電池業體先에디슨이 破産하기도 했다. 太陽電池市場에서 살아남으려면 새 突破口를 찾아야 했다.

科學界는 旣存 실리콘 太陽電池가 아닌 다른 方式의 太陽電池에서 실마리를 찾고 있다. 실리콘 太陽電池는 理論的發展效率이 26∼27% 水準인데 3月日本化學企業 카네카가 26.3%의 效率을 내는 실리콘 太陽電池를 開發했다. 事實上技術이 完成된 셈이다. 실리콘 太陽電池의 改善보다 새로운 太陽電池開發에 集中해야 할 狀況이다. 有機物을 活用하거나, 染料에 反應하는 太陽電池硏究가 進行中이다.

하나의 技術만 쓰는 太陽電池는 아직 큰 成果를 못 내고 있다. 遺棄太陽電池의 發展效率은 12%, 染料感應太陽電池는 13% 水準이다. 그나마 가장 效率이 좋은 건 페로브스카이트라는 化合物로 만든 太陽電池로, 約 22%의 效率을 낸다. 이들 亦是發展效率은 25%가 限界일 것으로 보고 있다.

이는 太陽電池가 種類에 따라 特定波長의 太陽 빛만 받아들이기 때문이다. 실리콘 太陽電池는 300∼1100nm(나노미터·1nm는 10億分의 1m) 領域의 빛만 吸收한다. 太陽에너지가 0.0001nm보다 짧은 波長 에너지부터 波長 길이가 100m가 넘는 에너지까지 갖고 있음을 생각하면 極히 一部만 吸收하는 셈이다. 나머지 部分은 熱에너지 같은 다른 形態의 에너지로 바뀌어 사라진다.

科學者들은 서로 다른 波長을 吸收하는 太陽電池를 겹쳐 效率을 높이는 탠덤 太陽電池開發로 效率을 極大化하는 硏究에 나서고 있는 狀況이다. 于先發展效率이 높은 실리콘 太陽電池와 페로브스카이트 太陽電池를 합쳤다. 페로브스카이트 太陽電池는 紫外線∼可視光線領域을, 실리콘 太陽電池는 赤外線領域을 吸收해 電氣를 만든다.

처음 挑戰한 것은 美國 스탠퍼드대와 英國 옥스퍼드大共同硏究陣이다. 올해 2月自體開發한 탠덤 太陽電池가 23.6%의 發展效率을 記錄했다고 ‘네이처 에너지’에 發表했다. 스위스는 페로브스카이트 太陽電池硏究를 主導하던 미카엘 그레첼 스위스 로잔工大敎授를 中心으로 탠덤 太陽電池를 硏究하고 있다.
　
誤가희 동아사이언스 記者 solea@donga.com

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