오늘날 지구에서 소비되는 에너지는 1년에 약 13테라와트(1테라와트=1012 와트)이고 그 양은 2050년에는 약 30테라와트로 증가할 것으로 예상하고 있다. 그러나 우리가 현재 에너지원으로 주로 사용하고 있는 화석 연료는 약 10년 후에 그 생산량이 감소하기 시작할 것이라는 예상이 나오고 있다. 또한 화석연료를 태워 발생하는 이산화탄소가 온실효과를 일으켜 이에 따른 지구 온난화 문제도 심각한 수준에 있다.

심화되는 에너지 및 환경위기

이러한 화석연료의 한계점 때문에 전 세계적으로 화석연료를 대체할 에너지 변환 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중에서도 현재 지구가 직면한 환경문제를 해결하기 위하여 친환경적인 에너지 변환 기술에 대한 연구가 집중되고 있는데, 예를 들면 수력, 풍력, 바이오매스, 태양광 등의 에너지원을 이용하는 기술인 신․재생에너지 기술도 이에 포함이 된다.

안전하고 친환경적인 측면에서 태양에너지도 앞서 언급한 친환경적인 에너지원중 하나로 사용될 수 있다. 연간 태양으로부터 지구에 도달하는 에너지의 양은 약 12만테라와트로서 현재 지구가 연간 소비하는 에너지의 약 1만배 정도가 된다. 그러므로 태양으로부터 나오는 에너지를 효율적으로 변환하면 지구가 직면해있는 에너지 문제를 극복할 수 있게 된다. 재미있는 예로 Turner라는 과학자는 미국에 있는 네바다사막에 단지 150평방킬로미터 면적의 15%의 광변환 효율(태양광을 전기에너지로 변환해주는 비율로서 모든 태양광을 전기에너지로 완벽하게 바꾸어주면 효율은 100%가 된다)을 가지는 태양전지를 설치하면 미국 전체에 전력을 제공할 수 있다고 주장하였다(‘사이언스’지 285권 687페이지).

태양전지 광전압․광전류 값 크면 효율 높아

태양전지는 단순히 태양광에너지를 전기에너지로 변환하여주는 장치이다. 태양광을 태양전지에 조사하여 주었을 때 아무런 전압을 가하지 않은 상태에서 얻을 수 있는 전류를 광전류 (JSC )라고 한다. 또한 양쪽 전극을 단락시켰을 때 태양광을 조사한 상태에서 우리가 얻을 수 있는 전압을 광전압(VOC) 이라고 한다. 태양전지의 광전압과 광전류의 값이 크면 태양전지의 효율이 높다고 말할 수 있다. 예를 들어서 변환효율이 10%인 1평방미터 크기의 태양전지에 평방미터당 1㎾의 세기로 태양광이 태양전지로 쪼여주게 되면 태양전지는 100W의 전력을 생산할 수 있다.


태양전지는 구성하고 있는 물질로 분류를 하면 실리콘, CIGS, CdTe 태양전지 등 무기물질을 기반으로 하는 태양전지와 폴리머, 염료감응형 태양전지 등 유기물질을 기반으로 하는 태양전지로 구분할 수 있다.

무기태양전지는 변환효율이 높으나 제조단가가 높다는 단점이 있으며, 유기기반 태양전지는 제조단가가 낮다는 장점이 있으나 변환효율이 상대적으로 낮다.

태양전지를 전지 구조로 구분하면 웨이퍼 구조의 실리콘 태양전지 박막형 태양전지, 그리고 광전기화학구조태양전지로 구분할 수 있다. 박막형 태양전지는 CIGS, 비정형 실리콘, CdTe, 폴리머 태양전지로 구분되며, 염료감응형 태양전지는 광전기화학구조 태양전지에 속하게 된다.

세대별로는 세대를 정의하는 사람에 따라 다를 수 있으나 태양전지의 권위자인 마틴 그린 교수의 분류에 따르면 1세대 태양전지는 벌크형 실리콘 태양전지, 2세대 태양전지에는 CIGS, 비정형 실리콘, 폴리머, 염료감응형 태양전지가 있으며 기존 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 3세대 태양전지로 구분할 수 있다.

3세대 태양전지로 단일접합 태양전지 한계 극복

3세대 태양전지는 현재 대부분 사용되고 있는 단일접합 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 기술을 기반으로 하는 태양전지이다. 태양전지에 사용되는 물질은 반도체 물질로서 반도체 물질은 전자가 채워져 있는 가장 높은 에너지 준위인 밸런스 밴드와 전자가 채워져 있지 않은 가장 낮은 에너지 준위인 컨덕션 밴드의 차이에 해당하는 밴드갭이 존재한다.

태양광의 다양한 파장, 혹은 에너지 중에서 밴드갭 에너지에 해당하는 태양광만 반도체 물질에 의해서 흡수되고 반도체 물질이 가지는 에너지 보다 작은 에너지를 가지는 빛은 흡수되지 못한다. 또한 반도체 밴드갭 보다 큰 에너지를 가지는 빛은 흡수 되었다가 반도체 물질의 밴드갭과 입사된 에너지의 차이에 해당하는 에너지는 열로 손실이 되게 된다. 이러한 과정에 의해 손실이 되는 에너지에 의해 단일정션 태양전지는 이론적인 효율에서 한계를 가진다. 이러한 효율의 한계는 ‘쇼클리-퀘이저 한계’라고 하며 그 이론적이 최대값은 32%이다.



단일 정션을 기반으로 하는 태양전지는 최근 50년 동안 획기적인 발전을 이루어 왔다. 그결과 현재 쇼클리-퀘이저 한계 효율 한계인 32%의 2/3정도 효율을 달성하였다. 현재 단일정션 태양전지의 최고 효율은 25%로서 단결정 실리콘 태양전지에서 얻을 수 있다. 태양전지에서 생산되는 전력이 현재 화석연료를 사용해 생산하는 전력보다 경제적이기 위해서는 현재 단일정션을 기반으로 하는 태양전지 효율의 한계인 32%를 넘어야 한다. 낮은 제조 단가를 유기하면서 기존의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 태양전지의 출현이 필요한 시점이다.

이러한 초고효율의 태양전지를 개발하기 위하여서는 기존의 벽을 허물 수 있는 새로운 개념, 구조, 그리고 태양으로부터 오는 에너지를 열화과정 없이 변환하는 기술이 필요하다. 이러한 필요성 때문에 필자의 연구단에서는 초고효율 태양전지를 실현하기 위한 원천 기술을 개발하기 위하여 태양전지를 광이용, 전자 발생, 전하 수송의 3가지 부분으로 분류하여 각 부분에서의 효율을 극대화한 기술개발을 목표로 하고 있다.

2007년 11월 미국 에너지성(DOE)에서도 현재 상용화되어 있는 태양전지의 효율을 넘을 수 있는 새로운 개념의 태양전지 개발을 위한 연구 프로젝트를 ‘차세대 태양광발전’이라는 이름으로 시작을 하였다. 그 프로젝트에 속한 신개념 태양전지로서는 plasmonics, multi exciton generation(MEG), Advanced concentrator, advanced thin films, hybrid organic/inorganic, sensitized cells 등 이 포함되어 있어 필자의 연구팀에서 연구하는 태양전지가 전세계적으로 많은 관심을 가지고 개발하고 있는 분야임을 알 수 있다.


표면 플라즈몬 공명 이용해 빛 활용 극대화

태양전지는 빛을 흡수해 전자를 발생시키는 원리를 이용하므로 태양광을 많이 흡수할수록 좋은 전지의 조건이 될 수 있다. 태양광을 많이 흡수하기 위해서는 최대한 태양광과 가까운 흡수영역을 가지는 소재의 개발이 필요하다. 하나의 광흡수 소재로만 구성된 단일 정션 태양전지는 태양광 전영역을 에너지 손실 없이 활용하기 힘들다. 따라서 빛의 활용을 극대화하기 위해서는 다양한 흡수파장을 가지는 광흡수 소재들이 한 소자 내에서 정렬된 구조를 가지는 적층형 태양전지가 필요하게 되며, 실제로 현재 개발된 최고 효율의 태양전지는 적층구조를 가지는 태양전지이다.

하지만 개발된 적층형 태양전지는 무기물질을 기반으로 하는 태양전지로서 제조 단가가 비싸다는 단점이 있다. 유기 물질을 기반으로 하는 다중접합 태양전지는 최근에 실현화되기 시작해 현재 많은 연구가 진행 중이다. 유기물질을 기반으로 하는 적층형(탠덤) 태양전지 개발을 위하여서는 태양광중 장파장을 흡수할 수 있는 소재의 개발이 필요하며 개발된 다양한 소재를 적층하는 기술이 필요하다.

필자의 연구팀에서는 장파장(400~900㎚) 흡수가 가능한 다양한 작은 밴드갭 유기 소재를 개발하고 있다. 또한 최근 다양한 흡수영역을 가지는 염료를 나노산화물 층에 적층하는 새로운 방법을 개발하여서 ‘네이쳐 머트리얼스’지에 보고를 하였다. 이 방법은 크로마도그래피 방법을 이용해 염료를 선택적으로 나노 산화물에 흡착 시키는 방법을 이용하는 것으로 기존의 방법으로서는 달성하기 힘들었다.

태양광 흡수를 증가시키는 방법으로서 흡수영역을 장파장까지 넓게 하는 방법과 더불어 광 흡수능력을 극대화 할 수 있는 방법도 개발이 진행되고 있다. 바로 표면 플라즈몬 공명 을 이용하는 기술이다. 금속 나노입자의 표면에는 자유전자가 존재한다. 이 표면의 자유전자는 외부의 전자기파와 서로 상호작용을 하며 금속 표면에서 움직이게 된다. 이러한 자유전자들의 움직임이 금속 입자 주위의 물질의 극성을 변화시키게 되어 금속입자 주위의 물질의 편극률을 변화시킨다. 편극률의 변화는 금속 나노입자를 둘러싼 그 물질의 흡광도를 증가시키는 결과를 가져오게 된다. 결과적으로 외부에서 보면 금이나 은 나노입자를 포함하는 어떠한 물질의 흡광도가 그렇지 않은 것 보다 증가하게 된다. 이러한 표면 플라즈몬 현상을 이용하여서 물질의 광 흡수능력(흡광도)를 증가시키는 방법으로 태양광 활용을 극대화할 수 있다.


광전자 발생 극대화

현재 존재하는 태양전지의 핵심적인 한계는 바로 하나의 광자가 광흡수물질에 의해서 흡수되어서 하나의 전자-홀 쌍(엑시톤)을 형성시키는 것에 있다. 하나의 높은 에너지를 가지는 광자가 여러 개의 전자-홀 쌍을 발생시키는 다중 엑시톤 발생(MEG) 현상을 이용하면 광으로부터 생성되는 전자의 생성을 극대화할 수 있다.

이러한 현상은 1993년에 코로딘스키에 의해서 발견되었으나 그 효율이 낮았다. 최근 크리모프 박사나 NREL에 있는 노직 박사는 양자점을 이용하면 벌크 반도체 보다 훨씬 효과적으로 다중 엑시톤을 발생시킬 수 있다는 것을 보고하였다. 예를 들면 PbS 양자점을 사용하면 하나의 광자로 최대 3개의 엑시톤을 발생시킬 수 있다고 주장하였다. 이를 이용하면 이론적으로 변환 효율이 300%인 태양전지를 제작할 수 있다는 의미를 가진다. 그러나 최근의 연구결과에 따르면 반도체 양자점을 이용하면 다중 엑시톤을 생성할 수 있지만 양자점내에서 발생된 엑시톤이 쪼개지지 않고 원래상태로 돌아가는 재결합 속도가 워낙 빠르기 때문에 태양전지에 사용되기에는 어려운 점이 있다.

태양전지에서는 전자-홀 쌍인 엑시톤이 쪼개져서 전극에서 수집돼야만 우리가 원하는 전력으로 상용할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 다른 두 개의 소재가 하나의 양자점내에 정션을 형성하는 타입 II형식의 양자점이 태양전지에 사용하는 시도를 하고 있다. 이러한 타입 II 형식의 양자점내에서는 태양광에 의해 발생한 엑시톤이 기존의 양자점에서보다 훨씬 오래 살아있다는 점에서 더욱 유리하다고 할 수 있다.

태양광을 우리가 원하는 전력으로 변환하기 위해서는 태양광에 의해 발생된 엑시톤을 효과적으로 분리해 되도록 많은 양의 전하(전자, 홀)를 생성하는 것이 필수적이다. 효과적인 전하의 분리는 정션의 면적을 극대화함으로써 달성할 수 있다. 이를 위하여 정션을 나노크기의 수준에서 정션을 구성하는 것이 그 방법이 될 수 있다. 나노졍션을 이루기 위해서는 이종물질 혹은 한 물질 내에서 도우핑을 나노선이나 나노구조 자원에서 자유자재로 형성할 수 있는 기술이 필요하다. 필자의 연구단에서는 정션의 형성을 분자 레벨에서 조절하는 연구를 통하여 나노정션 형성을 연구하고 있다.

3세대 태양전지 실현 위해 다학제간 융합 필요

위에서 열거한 예에 해당하는 3세대 태양전지를 개발하기 위해서는 물리, 화학, 재료 등 다학제간의 융합을 극도로 필요로 한다. 빛 활용을 극대화하는 기술에서는 넓은 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 새로운 물질의 개발과 이를 적층화하는 기술이 필요하며, 다중 엑시톤 발생 태양전지 같은 경우는 나노물질의 구조와 다중 엑시톤 발생에 관한 물리적 접근과 이해를 바탕으로 나노 구조 형성을 자유롭게 조절 할 수 있는 나노 기술 및 화학적 합성 기술이 접목되어야 한다.

3세대 태양전지를 개발하기 위해서는 아직도 해결해야할 문제들이 많이 있지만 이러한 시도들이 성공적인 결과로 연결된다면 저가 고효율의 태양전지를 생산할 수 있는 기술을 확보하는 것이므로 태양전지 시장뿐만 아니라 광전 변환 소재로까지 그 파급효과는 상상을 초월할 것으로 예상된다.


김경곤 한국과학기술연구원 태양전지연구센터 선임연구원 kimkk@kist.re.kr

글쓴이는 고려대학교 화학과 졸업 후 동대학원에서 석사·박사학위를 받았으며 웨이크 포레스트대와 예일대에서 박사 후 과정을 거쳤다.

<출처> KOFST, 2009년 12월 09일

'아하! 그렇구나' 카테고리의 다른 글

데스크톱 가상화, 왜 필요한가?  (0) 2010.03.29
구글 TV에 대한 5가지 궁금증  (0) 2010.03.29
태양전지의 원리  (0) 2010.03.20
태양전지의 효율  (0) 2010.03.20
태양전지의 종류  (0) 2010.03.19
Posted by TopARA
,