Insight
24시간 사용 가능한
차세대 태양전지 기술
Apr, 2020




  밤에도 사용 가능한 태양전지 기술  


태양전지는 태양광을 전기로 변환하는 장치이다. 일반적으로 P형과 N형 반도체를 접합한 구조로, 실리콘(Si) 기반 반도체 또는 화합물(III-V족 화합물) 반도체를 이용한 태양전지가 널리 이용되고 있다. 이러한 반도체 물질들은 태양광을 흡수해 전기에너지를 생성하는 구조로, 태양광이 없는 밤에는 이용이 어려운 한계가 있었다. 따라서 밤하늘까지도 효율적으로 이용하는 방법이 연구되고 있다.


미국 UCD의 제레미 문데이 교수 연구팀은 열 방출형 태양광과 방사 냉각 개념을 응용한 '열방사 전지'를 개발하여 'ACS 포토닉스'에 발표했다. '열방사 전지'는 야간에 태양전지의 약 4분의 1에 해당하는 1㎡ 당 50W를 발전 시킬 수 있다고 한다. 열에너지를 전력으로 변환하기 위해서는 물체의 온도 차가 필요하다. 태양전지는 따뜻한 햇빛을 흡수하여 발전하는 반면, '열방사 전지'는 지표의 따뜻한 열과 차가운 우주 공간의 온도 차이에 의해 방사되는 적외선에서 발전하는 구조이다. 간단하게 설명하자면 태양전지는 태양의 에너지를 받아 전력을 생산하는 반면, '열방사 전지'는 밤하늘로 에너지를 보내는 과정에서 전력을 형성한다. 


한편, 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 이종훈 교수 연구팀은 밤에도 자유롭게 전자가 이동하는 새로운 소재를 사용해야 열방사 전지를 실현할 수 있다고 분석했다. 그리고 ‘꿈의 신소재’로 불리는 그래핀과 모양이 유사하지만, 하얀색을 띠어 ‘화이트 그래핀’으로 불리는 육방정계 질화붕소(hBN)를 결합한 물질에서 그 답을 찾았다. 물론 발견된 지 얼마 안 된 신소재이기 때문에 아직 셀로 사용할 만큼 대면적으로 제작한 사례는 없다. 하지만 향후 적합한 반도체 소재가 개발된다면, 기존 태양전지와 열방사 전지를 결합한 새로운 태양전지로 24시간 내내 전력을 생산할 수 있고, 이를 통해 최대 12%의 에너지를 추가로 확보할 수 있을 것으로 예상했다.

 





출처  |  ACS Photonics








  한화큐셀, ‘페로브스카이트 태양전지’ 연구 매진  


연구진이 주목한 그래핀과 육방정계 질화붕소의 두께는 머리카락보다 백만 배 얇은 1.5nm 두께에 불과하다. 자유롭게 휘어지는 것은 물론 투명하다. 이 때문에 아파트의 창문, 외장재 등으로 사용하기 유리하다. 한화큐셀은 창문형 태양전지로 사용하기 유리한 ‘페로브스카이트 태양전지’ 연구에 매진하고 있다. 

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 재료를 광활성 층으로 이용하는 3세대 전지다. 페로브스카이트는 육방면체 구조를 지닌 반도체 물질로, 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꿀 수 있어 태양전지와 조명, 레이저 등에 응용된다. 페로브스카이트가 차세대 태양전지로 주목받는 이유는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을 때 제조가 쉽고 제작 원가도 낮기 때문이다. 1,000℃ 이상의 고온 생산공정이 필요한 실리콘 전지와 달리 페로브스카이트는 400℃ 이하의 공정을 통해 낮은 비용으로도 생산할 수 있다. 실리콘 태양전지가 약 26%의 효율을 달성하는 데 60년이 걸렸다면 페로브스카이트는 10년 사이 실리콘 전지 효율을 거의 따라잡았다는 평가다. 상용화될 경우 설치면적이 줄어든다는 장점도 있다. 수백 나노 크기 두께의 얇은 박막으로도 빛 흡수율이 높아서 건물 외벽에 전지를 설치하는 '건물 일체형 태양전지(BIPV)'로 적용이 가능하다. 태양전지를 설치하지 못했던 장소에서도 발전이 가능해질 전망이다.





투명한 페로브스카이트 태양전지와 열 방사형 태양전지를 결합한 새로운 기술이 나온다면, 창문을 통해 24시간 내내 전력을 생산할 수 있다. 또 기존 실리콘 기반 태양전지와의 시너지 효과도 기대된다. 열 방사형 태양전지는 투명하고 두께가 얇아서 태양전지의 광 흡수층 위에 올린다고 해도 입사되는 빛에너지가 크게 줄지 않기 때문이다.


한화큐셀에서는 페로보스카이트 태양전지의 실용화를 위해서도 여러 연구에 매진하고 있다. 2019년 ‘에너지 절약 경진대회’에서 대상을 차지한 서울 양천구 신정이펜하우스5단지 아파트에는 한화큐셀의 태양광모듈이 설치되어 있다. 한화큐셀의 태양광모듈로 인해 해당 아파트는 매년 5천만원의 전기요금을 절감하고 있으며 이는 태양광모듈을 이용한 에너지 절약의 모범사례로 꼽힌다.




▲ 신정이펜하우스5단지 옥상 내 태양광모듈 설치 전경


현재의 기술에 새로운 기술을 더해 더 많은 전력을 만들고, 사용하고, 저축한다면 ‘태양광 홈 발전소’다운 면모를 더욱 갖춰가게 될 것이다. 아직은 새로운 소재를 큰 크기로 제작하고, 가격을 낮추는 기초연구가 필요하겠지만, 한화큐셀을 비롯한 과학자들의 노력은 태양전지를 밤낮없이 이용할 수 있게 할 것이다. ‘탄소 중립’을 향해 한 걸음 더 다가가게 될 미래가 기다려진다.




출처  |  한화 공식 블로그(과학칼럼니스트 권예슬 기고)
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