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태양 전지계의 떠오르는 블루칩. 페로브스카이트

    • 김도연 기자
    • |
    • 입력 2021-02-23 15:52
    • |
    • 수정 2021-02-23 15:52
[출처: 한국에너지공단]

2021년, 현재 세계는 두 가지의 방향으로 변화하고 있다. 첫 번째는 데이터화로, 많은 기업이 그동안 쌓인 빅데이터를 이용하여 다양한 사업을 하려는 것이다. 두 번째는 친환경화이다. 전 세계가 지속 가능하고 깨끗한 지구를 위해 노력하고 있다.

세계 최대 자산 운용사 블랙록은 현재의 친환경화 추세에 따라 '환경(Environmental)', '사회(Social)', '지배 구조(Governance)'의 기준에 맞추어 기업 투자를 결정하고자 하는 것을 대표적인 사례로 언급할 수 있다.

이러한 국제적 흐름에 일각에서는 친환경이 아닌 필(必) 환경이라고 말한다. 친환경을 위한 과학 기술을 여러 가지 찾아볼 수 있지만, 최근 급부상하는 기술로 페로브스카이트 태양전지(PSC)를 언급할 수 있다.

태양 전지란, 태양의 광에너지를 통해 전기 에너지를 얻을 수 있는 장치이다. 일반적으로 1세대 태양전지인 결정질 실리콘 전지, 2세대 태양전지인 박막 및 비결정질 실리콘 전지 그리고, 3세대 태양전지인 유기, 염료 감응형, 페로브스카이트 태양전지 등으로 구분한다.

페로브스카이트란 부도체 반도체 도체 초전도체의 성질을 모두 보이는 금속 산화물로서 화티타늄석이라고도 불린다. ABX3구조를 가지고 있으며 A, B는 양이온 X는 이들과 결합하는 음이온이다. 얇고 유연한 성질을 가진다. 이러한 특성 때문에 태양광, LED, 메모리, 센서 등에 적용하기 위해 연구가 진행되고 있다.

2009년, 일본 미야사키 교수 연구팀이 최초로 페로브스카이트를 태양 전지로 활용했다. 당시 페로브스카이트는 3.7%의 광전효율을 내었다

그리고 2012년, 성균관대 박남규 교수 연구팀이 9.7%의 광전변환효율을 가지는 고체 염료감응형태의 페로브스카이트 태양전지를 발표하였다.

그 후, 페로브스카이트 태양전지의 가능성이 세계적으로 알려지면서 장기적으로 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 위한 많은 연구가 진행됐다. 실험을 통해 광전변환효율을 30.4%까지 개선할 수 있다는 사실이 확인되었다. 이는 실리콘 태양전지의 평균 광전변환효율인 17%를 크게 웃돈다.

페로브스카이트는 원가 경제성 또한 실리콘 대비 1/3~1/10 수준이라는 장점도 지니고 있다. 게다가 반투명하고 가볍기 때문에 건물 벽면과 발코니, 휴대용 전자기기 등에 쉽게 부착할 수 있으며 무한한 전력 생산이 가능하다.

페로브스카이트에도 약점이 있는데, 습도가 55% 이상일 때 광전변환효율이 급격히 감소한다는 점이다. 또, 태양 전지의 작동 온도 내인 56℃에서 상변이가 나타나 광 안전성이 떨어진다.

게다가 현재 ABX3 구조의 B부분에 납을 사용하고 있는데, 인체에 해로운 물질이다 보니 우려의 목소리가 제기되고 있다. 이와 관련, Tin(주석), Na(나트륨), Bi(비스무트) 등으로 대체하는 연구를 진행 중이지만, 여전히 부정적인 시선도 존재한다. 그렇다면 페로브스카이트가 상용화되기까지 갈 길이 먼 것인가?

페로브스카이트 기술 세계 1위인 우리나라에서 페로브스카이트의 약점을 부분적으로 해결하였다. 2020년 9월, UNIST의 연구진은 최고 효율을 기록하며, 불소를 이용해 수분에 취약했던 약점을 해결했다. 이와 관련된 논문이 유명 학술지 사이언스(Science)에 게재됐다.

흥국증권은 2021~2025년 사이에 상용화가 가능할 것으로 전망한다. 또, 한화솔루션, 유니테스트 등의 국내 기업이 우리나라의 태양광 산업을 이끌어 갈 예정이다.

페로브스카이트를 통해 꿈꾸게 된 세상은, 석유/석탄 에너지가 완전히 사라지고, 모두가 무료 전기를 누리는 것이다. 무료 전기는 생산성 확대를 의미하며, 로봇/자동화와 결합해 기본적인 “의식주”뿐만이 아니라 사치품까지 모두 해결해 줄 것이다.

김도연 기자 | [email protected]

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