페로브스카이트 태양전지, 정말 획기적인 것일까?

[달팽이산책]

깜짝 놀라게 한 사건이 올 초에 터졌다.

세계적인 과학저널 네이쳐에 국내 페로브스카이트 태양전지의 개발수준을 높이 평가한 표지사진 때문이었다.

(2021.2.24. 네이쳐 표지를 장식한 페로브스카이트)

1883년 찰스 프리츠(Charles Ffitts)가 최초의 태양전지를 성공했지만 태양빛을 이용한 태양전지는 특별히 관심을 받지 못 했다.

지구의 에너지가 나무에서 석탄으로, 석탄에서 석유로 옮겨 가면서 발전했고, 사회가 요구하는 에너지를 충분히 공급했기 때문이다. 1957년 미국의 뱅가드 위성은 지속적인 에너지를 확보하기 위해 태양전지를 날개로 달고 우주로 날아 올랐다.

뱅가드 위성의 시사점은 태양전지의 사용이 특수하거나 범용이지 않다는 점을 부각시겼다.

그러나 두 번의 중동석유파동을 거치면서 석유 외 다른 에너지원을 찾아야 한다는 분위기가 만들어지고 2000년대 들어 환경파괴문제가 대두되면서 태양전지는 서서히 사회적 관심대상이 되었다. 2021년 현재 지구는 가뭄, 홍수, 극심한 더위와 추위 등 예기치 못한 기상이변을 겪고 있다. 이런 어려움이 나빠진 기후로부터 비롯 한다는 점은 어느사이 상식이 되었다. 대체에너지에 대한 필요성과 에너지 자체를 전환해야 한다는 점은 이제 모두가 동의하는  필수적 과제가 되었다. 인간을 포함한 모든 생명체가 지속적으로 삶을 이어가는 상태를 유지해야 한다는 점은 삶과 죽음의 문제이기 때문이다.

제6의멸종을 우리는 피해야 한다.

따라서 최근의 기존 실리콘태양전지의 사용량은 실로 벅차게 늘었다.

냉정하게 탄소의 량을 줄일 수 있는 마땅한 대안이 없는 상태에서 이젠 거의 보편재가 된 태양광발전은 국가 혹은 정부 및 기업과 개인이 얼마든지 확산시킬 수 있는 수준이 되어 마치 수 많은 개미들이 거대한 먹이감을 옮겨가는 행렬을 우리가 보고 있다. 이로써 실천적인 기후위기 대응전략은 어느 정도 실행이 되고 있는 셈이다.

현재 실리콘태양전지는 약 20%의 성능에 육박한다.

1억 5천만km 떨어진 태양에서 빛과 열과 전지기파가 지구에 도달하는 시간은 8분 19초이다.

태양이 지구를 향해 쏟아지는 에너지는 빛이 30%, 열이 40%이고 나머지는 전자기파를 포함한 30%이다.

실리콘태양전지는 가시광선에 반응하여 전력을 만들기 때문에 30%인 빛만이 유효하다.

극단적으로 태양에너지의 30%만을 이용하여 전체 태양에너지로부터 20%의 전력을 생산하는 이 수준은 사실 70%의 효율에 해당한다. 이런 측면에서 나름대로 수년 전부터 태양전지는 거의 '신의 영역'에 들어왔다라고 주장해왔다.

태양전지가 나빠진 환경과 삶을 위협하는 기후위기로부터 우리에게 어떤 탈출 가능성을 보여주는 것은 분명하다.

기존의 석유와 석탄은 생명을 위협하는 탄소응집체이며 이런 것들이 땅 속으로 묻힘으로써 지구는 생명활동이 가능했던 것인데 인간은 수 세기에 걸쳐 자연이 묻어버린 탄소를 열심히 지구대기로 뿜어지도록 한 것이다. 이는 생명의 입장에서는 가히 '역설'이다. 마치 불치의 암이 서서히 키워서 시한부 선고를 받는 상황인 현재의 기후위기 앞에서 사람들은 태양전기에 기대를 걸고 있다. 그 것도 아주 많이...

따라서 더 높은 전력출력과 더 오래 사용가능한 태양전지의 개발에 노력해왔고 그 동안 수 많은 방식들이 소개되었다.

아래 그림은 태양전지의 종류이다.

(태양전지를 만드는 방법으로 구분한 태양전지 종류)

아직도 태양전지는 맨 위의 결정질 실리콘이 대세이지만 한 때 박막형 태양전지가 유행한 적도 있었다. 하지만 그 열기는 2년 쯤 지나 어디론가 흩어졌다. 마치 한 바탕 잔치를 한 셈이 되었다. 전 세계 수 많은 박막형 태양전지 회사와 공장들은 대부분 문을 닫거나 아주 작은 규모로 축소되었다. 역시 결정질 실리콘은 건재했고 더 큰 힘으로 성장했다.

한 때 식물이 광합성하는 과정에 착안한 '염료감응형 태양전지'에 대한 성과와 보고가 있었지만 관련 회사의 주식가치만 높이고는 유야무야 되었다. 극단적으로 그 회사는 높아진 주식으로 엄청난 돈을 벌었지만 수 많은 투자자들은 엄청나게 손해를 보았다. 어쩌면 염료감응형의 가능성이 그렇게 사라진 이 후에 많은 사람들은 실리콘태양전지에 더 애착을 가지게 된 듯 하다.

실리콘태양전지의 주원료는 규소이며 이는 지구상 어디에도 있는 모래이다.

규소에서 실리카를 추출하고 산화를 막기위해(산소를 제거) 최대 1,600도 구워서 소성하는 잉곳이 바로 태양전지에 사용하는 주 재료이다. 이 잉곳은 사실 태양전지뿐 아니라 반도체의 핵심소자이다. 잉곳에서 만들어진 실리콘은 CPU에 사용하며 메모리를 구성하는 핵심소재이다. 즉, 실리콘은 현대 디지탈시대의 핵심이며 정보화 시대를 이끄는 가장 중요한 기반이다. 그리고 이제는 지속가능한 지구를 위한 기후위기에 대응하는 태양광발전의 메인인 것이다.

태양전지의 효율을 더 높이기 위한 노력은 사라졌는가?

아니다. 비록 염료감응 방식이 특정회사(삼성)의 주가만 올리고 실패로 끝났지만 아쉬움을 버리지 못한 수 많은 천재들은 더 나은 태양전지를 찾는 방황을 계속했다. 그 결과로 전 세계가 주목하는 '페로브스카이트(PerovSkite) 태양전지'가 주목을 받는 것이다.

페로브스카이트는 실리콘태양전지를 대체할 수 있을까?

기존 실리콘태양전지는 무기물이 주 원료이다. 하지만 페로브스카이트는 유기물로 구성된다.

따라서 더 낮은 생산단가가 가능할 것이며 생산량을 늘리는데 큰 어려움이 없을 것이다. 유기물은 모자라면 합성하면 된다.

하지만 나는 아직은 큰 기대를 하지 않는다.

이유는 딱 두 개이다.

유기물이 주 성분이라면 습기로 부터 취약할 것이라는 점이다. 실리콘은 아주 고른 결정을 갖는다. 6나노 이상의 고밀도의 결정체를 사용한다. 반대로 유기물로 구성된 페로브스카이트는 그 성긴 구조로 습기를 막을 어떤 특별함이 요구되지만 어떤 보고에서도 이 부분을 논하고 있지 않다. 따라서 특별한 방법이 마련되지 않았다고 여겨진다.

둘 째, 페로브스카이트는 온도에 매우 취약하다.

태양을 향한 태양전지는 태양으로부터 달려오는 모든 것을 받아야 한다. 발전에 필요한 빛은 필수이지만 태양빛과 함께 도달하는 열을 막을 방법이 없다. 여름은 제외하고라도 봄, 가을에도 한 낮의 태양전지는 50~60℃로 뜨겁게 달아 오른다. 페로브스카이트의 보고서에는 50℃ 이상의 열을 감당하기 힘들다고 기술되어 있다. 열적특성이 매우 취약하다는 의미이다.

이런 한계를 자인하는 것인지 최근의 기사에서는 페로브스카이트 태양전지는 독자적으로 사용되는 것이 아닌 기존의 실리콘전지와 함께 사용되는 방안이 발표되고 있으며 유력 태양전지 제조회사에서는 이미 이 방식을 구현하고 있다. 이른바 '텐텀(tendom)'이다. 마치 실리콘태양전지를 대신할 것 처럼 대대적으로 보고하고는 실재로는 실리콘과 연결하여 발전효율을 높이는 일종의 보조재로써 페로브스카이트를 실물에 적용하고 있는 것이다.

물론 이렇게 실리콘전지에 페로브스카이트를 적용하여 태양전지의 효율을 높이는 것은 바람직하다.

하지만 마치 페로브스카이트가 실리콘태양전지를 대체할 것 같은 착각은 금물이다.

실리콘은 독성이 없다. 또 실리콘은 이제 만들기 매우 쉽다. 또 그 동안 사용되어진 역사에서 실증적으로 위력을 증명하고 있다. 우리에게 실리콘이 있다는 사실은 매우 행운이다. 마치 우리 몸에 아주 좋은 약초같이 독성도 없고 지금의 기후중병을 치료하는 명약이다. 이 사실을 우리가 분명히 다시 확인해야 한다.

페로브스카이트는 분명한 업적이 맞다.

페로브스카이트는 태양전지뿐 아니라 발광체로써 유기발광 다이오드를 대체할지 모른다. 쓰임 가능성이 매우 많다.

이는 인류에게 지속가능한 어떤 기회를 분명히 줄 것이다.

또 태양전지의 효율을 높여야 하는 필요성에도 분명히 기여할 것이다. 물론 실리콘전지의 30~40년이라는 긴 수명에 페로브스카이트가 대응할지는 알 수 없지만 지금의 성과로써는 아무리 길게 잡아도 10년 정도일 것이다. 따라서 페로브스카이트를 접목한 태양전지는 최근 각광을 받는 양면태양전지에서 마주하는 어려움 등을 피하기 어려울 것이다.

나도 한때는 더 나은 태양전지에 대한 욕구를 가졌었다.

하지만 이 업을 오래하면서 나름대로 내린 결론은 적어도 태양전지는 실리콘을 따라잡는 것이 불가능 할 것이라고 결론 짖는다. 섯부르겠지만 오래 사고한 결과이다.

현대는 정보의 싸움이다.

특히 과학기술분야는 이미 기업과 연결되어 있어 어떤 성과는 그 기업의 주식값을 올린다.

새로운 시도와 불안정한 성과들이 대중을 현혹할 경우.....

남는 것은 살찌는 기업과 가난해지는 대중들이다.

수 많은 새로운 기술에 쉽게 현혹될 일은 아니다.