태양전지(Solar Cell) II
앞에서는 태양전지의 연혁, 그 원리 등에 대하여 알아 보았다. 여기서는 태양전지의 종류, 특히 유기태양전지와 발전효율에 관하여 살펴 보기로 한다.
박막형 태양전지 중에서 카파 인디움 갈륨 다이셀레나이드 (CuInGaSe2; CIGS) 박막형 태양전지는 비 실리콘 계열 태양전지 중 에너지 변환 효율이 가장 높고 (미국, NREL, 19.5 %) 구성원소의 재료가격이 다른 종류의 태양전지에 비해 저렴하고 유연하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 오랜 시간 동안 현장실험에서 성능이 열화(degradation) 되지 않는 등의 우수한 물성을 보였다.
한편, 카드뮴 테러라이드(CdTe) 박막형 태양전지는 CIGS 태양전지보다 먼저 상용화가 이루어졌고, 에너지가 큰 우주선 또는 방사선 등에 장시간 노출되어도 열화현상이 작아 위성의 에너지원으로 한때는 연구되기도 했지만, 에너지 변환효율이 그다지 높지 않고, 박막형 태양전지의 장점인 유연한 태양전지로 제작할 수 없을 뿐 만 아니라 카드뮴(Cd) 중금속 오염에 따른 환경파괴를 우려하여 현재는 거의 생산되지 않고 있다.
얼마 전까지 연구되고 있는 CIGS 태양전지의 흡수층 제작 방법중 상용화를 위한 주요 제작방법에는 동시증착(co-evaporation)법과 스퍼터링(sputtering)법 등이 있다. 동시증착법은 진공챔버 내에 설치된 작은 전기로의 내부에 각 원소(구리(Cu), 인디움(In), 갈륨(Ga), 셀레늄 (Se) 등)를 넣고, 이를 저항가열하여 기판에 진공증착시켜 CIGS 박막을 제작하는 기술로서 구조가 간단하고, 저렴하게 구성할 수 있어 오래 전부터 실험실에서 폭넓게 사용해 오던 방법이다. 이 방법은 대면적화가 어렵고, 진공장치 내부의 오염이 심각하며, 양질의 박막 제작이 용이치 않은 단점이 있지만, 이 방법으로 미국의 국립재생에너지연구소(NREL)에서 19.5%이상의 에너지 변환효율을 보였다.
다른 상용화 기술인 스퍼터링(Sputtering)법은 비교적 장치가 간단하고 손쉽게 금속 또는 절연체를 증착할 수 있어 연구용뿐만 아니라 생산용으로 폭넓게 활용되고 있는 기술이다. 특히, 스퍼터링은 아르곤(Ar)과 다른 혼합가스를 사용함으로써 반응을 수반한 화합물 증착이 가능한 이 방법은 대면적화가 용이하다는 장점은 있으나, 양질의 박막제작이 어려워 실제 얻어지는 에너지 변환 효율은 동시증착법에 미치지 못하고 있다.
다음에 소개하는, 최근 활발한 연구가 진행되고 있는 유기태양전지(Organic solar cell )는 저가의 태양전지 개발을 위해 유기물질을 이용한 한 단계 업그레이드된 태양전지이다. 유기태양전지는 빛을 흡수해 전자를 발생시키는 광활성층 소재를 자유자재로 변형할 수 있다. 2003년 이후 7년간 발전효율을 3배 가까이 상승시키며 놀라운 개발속도를 보여 왔다. 이 같은 속도는 기존의 무기계 태양전지에서는 전혀 볼 수 없던 것으로, 유기태양전지의 높은 가능성을 보여 주었다. 유기태양전지는 가시광을 흡수하는 메로시아닌, 프탈로시아닌, 필리륨과 같은 유기색소를 주원료로 사용하고 있다. 또한 저가형 혹은 차세대 플렉시블 전자 소자의 전원 등으로 폭넓게 응용할 수 있어 더욱 큰 기대를 얻고 있다.
유기태양전지의 장점은 친환경 유기물을 사용하므로 기존에 주로 생산되었던 실리콘계 태양전지나 박막 태양전지에 비해 가공이 쉽고 재료가 다양하다는 것이다. 뿐만 아니라 제작 비용이 저렴해 경제성이 좋고, 발전 효율이 좋아 원하는 성능에 대한 실현 가능성이 높다고 한다.
유기태양전지는 수많은 장점을 가졌음에도 불구하고 효율이 낮고 수명이 짧다는 단점이 있어 아직까지는 소규모의 전력을 필요로 하는 MP3플레이어, 휴대전화, 노트북 등 가볍게 휴대할 수 있는 전자기기에 적합하다. 계속해서 개발이 진행되고 있기 때문에 가까운 미래에는 유기태양전지가 고효율 에너지원으로 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다.
유기태양전지의 효율과 수명이 개선되면 건물 지붕이나 외벽, 텐트, 자동차 유리 등으로 응용범위를 넓힐 수 있고, 산소와 수분의 침투를 막아 외부환경으로 인한 수명단축 문제를 해결하면 그 활용 범위는 더욱 넓어질 것으로 보인다. 유기태양전지의 가장 기본적인 재료는 태양광을 직접 흡수해 전자를 발생시키는 광활성층 소재이다. 이 광활성층 소재를 자유자재로 변형할 수 있어 에너지 효율과 성능을 더욱 높일 수 있다. 실제로 기존3%에 불과했던 효율을 7년 만에 3배 가까이 높였다는 사례도 있다. 따라서 유기태양전지의 고효율화를 위해선 반드시 우수한 성능의 광활성층 소재 개발이 필수적이다. 해마다 유기태양전지의 최고 효율을 갱신하고 있는 국내의 선도기업들은 이미 대학이나 연구소 등과 함께 광활성층 소재 개발에 주력하고 있다.
2009년부터 유기태양전지용 도너 소재들이 개발되면서 2010년 8월엔 그 효율이 무려 8.13% 상승했다고 한다. 2016년, 고려대와 이화여대 공동연구팀은 기존 유기태양전지의 단점을 보완한 고효율 유기태양전지를 개발했다. 즉 기존 태양전지의 낮은 효율을 극복하기 위해 은 재질의 구조를 활용해 유기태양전지의 빛 흡수를 극대화했고 기존 전극과 비교해 전류밀도·광전변환 효율이 30% 이상 증가하였다.
2022년, 유기태양전지 시장의 시장규모는 5억 달러를 초과할 전망이고 최근 6년간 60%에 달하는 성장률을 보이고 있어 태양전지발전에 큰 활력을 불어 넣을 것으로 보인다. 짧은 수명이라는 기존의 단점을 보완하며 점차 고효율 에너지원으로 거듭나고 있어 앞으로 태양발전을 활용한 전력 공급이 더욱 확대될 예정이어서 대체 에너지 분야에서 보여 줄 유기태양전지의 활약이 더욱 기대된다.
마지막으로, 전반적인 태양전지의 발전효율의 성장에 대하여 알아보자. 미국의 벨 연구소에서 발명한 태양전지가 1958년 뱅가드 우주선에 사용할 당시 태양전지는 발전효율 4%에 불과하였다. 2008년에는 NASA, 유럽 우주국 등에 태양전지를 납품하고 있는 미국의 EMCORE사는, 최근 발전효율이 최고 37%에 달하는 지상용 고집광 태양전지 수신모듈 (Concentrating Photo Voltaic(CPV) System)을 개발했다. 이것은 박막필름방식의 6~12% 효율보다 3배가 넘는 고효율의 태양광 발전기술로, 박막필름방식에 이어 제3세대 태양전지 기술로 인정받고 있다. 태양전지 연구로 잘 알려진 호주 뉴사우스 웨일스 대학교(UNSW)의 태양전지 연구소는 24%에 달하는 태양전지 발전효율 기술을 가지고 있어 세계 최고 권위를 인정받고 있다. 드디어 2016년 5월에는 이 대학 연구팀이 34.5%의 효율 달성을 발표하였으며 이 연구소의 마틴 그린 교수는 자국의 기술이 타국에 비해 수 년 앞서 있다고 하며 이론상 53%까지 가능하다고 하였다. 국내에서는 태양전지 제조사업에 진출한 신성이엔지와 LG 태안 태양광 발전소등이 있고 알려진 발전효율은 대략 17~24%라고 한다.
결과적으로 지난 10년간의 태양전지 시장성장 추세를 감안할 때 2030년에는 태양전지 사용 비중이 10%이상 크게 증가할 것으로 예측하고 있다. 시장규모도 년간 3000억 달러를 상회할 것으로 전망된다. 이것은 반도체 시장규모에 버금가는 엄청난 규모이다. 겨우 우주선의 전원으로 활용하기 시작한 태양전지는 향후 전자제품, 주택, 자동차, 산업기기 등 다양한 분야에서 청정에너지로 활용될 것임에 틀림없다.
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