기술이 발전함에 따라, 미래에 새롭게 등장하게 될 기술에도 많은 관심이 집중되고 있다. 새롭게 등장하게 될 기술들은 여러 산업계에 새로운 바람을 불어올 것이고, 신기술 중에서도 인쇄 산업에 쓰일 태양 전지에 관한 내용을 2017년 2월 16일 ScienceDaily가 보도했다.

 

토론토 대학교의 엔지니어링 혁신 덕분에 신문 인쇄처럼 값싸고 쉬운 인쇄 태양 전지를 만들 수 있게 되었다. Hairen Tan 박사와 그의 연구팀은 perovskite 라는 새로운 종류의 태양 전지 개발 과정 중 제조에 방해가 되는 주요 장애물을 제거했다. 이 덕분에 대체 기술은 거의 모든 표면을 에너지 발전기로 바꿀 수 있는 저렴한 인쇄 가능 태양 판넬을 만들 수 있게 된 것이다.

나노기술의 캐나다 연구 위원장이자 신 태양광 기술의 전문가인 Ted Sargent 교수는 “이 기술의 경제 규모는 실리콘 제조 단가를 크게 감소시키는 정도였다.”라고 말했다. “Perovskite 태양 전지는 태양 전지를 이용하는 이전의 인쇄 산업보다 훨씬 더 저렴한 가격으로 기술을 사용할 수 있도록 해줄 것이다. 잠재적으로, perovskites와 실리콘 셀은 저온 공정이 전제되었을 때 결합된 상태로 더 큰 효율을 낳을 수 있다.

오늘날, 거의 모든 상업적 태양 전지들은 매우 높은 순도에서 가공되는 얇은 결정질 실리콘으로 만들어졌다. 이는 섭씨 1000도가 넘는 온도를 필요하고, 아주 많은 양의 위험한 용액들을 사용하는 에너지 집약 공정이다.

반대로, perovskite 태양 전지는 인간의 머리카락 폭보다 1000배나 더 작고, 각각의 얇은 결정 층으로 이루어져있다. 이 결정 층은 빛에 민감하며 값이 저렴하다. perovskite 태양 전지는 간단한 잉크젯 인쇄 과정을 통해 유리, 플라스틱, 또는 다른 재료들에까지도 인쇄가 가능하다. 그 이유는 perovskite의 원재료들이 액체와 섞여 일종의 태양열 잉크를 형성하기 때문이다.

그러나 지금까지 전기를 생산하기 위해서는 태양열에 의해 흥분된 전자들이 결정체로부터 추출되어 회로를 순환해야 했다. 이 추출은 선택적 전자 층인 특별한 층-ESL(electron-selective layer)-에서 이루어진다. 우수한 ESL 제조가 어렵다는 점이 perovskite 태양 전지 장치 발달을 저해하는 핵심 문제 중 하나이다.

“ESL을 만드는 데에 가장 효과적인 재료는 가루에서 시작하며, 섭씨 500도 이상의 높은 열에서 구워져야한다. 또한 신축성 있는 플라스틱이나 완전 공정된 실리콘 셀에 올려놓으면 안 된다. 녹아버릴 것이다.” 라고 Tan 박사는 밝혔다.

Tan 박사와 그의 동료들은 나노 입자로 이루어진 ESL을 전극 위에서 직접 자라도록 하는 새로운 화학 반응을 발견했다. 열은 여전히 필요하지만, 이 과정은 언제나 섭씨 150도 아래에서 이루어져야 하고 이는 많은 플라스틱의 녹는점보다 훨씬 낮다.

새로운 나노입자들은 perovskite 층과 결합하는데 도움을 주는 염소 원자 층으로 덮여져있다. 이 강한 결합은 효율적인 전자들의 추출을 이루어낸다. 최근 Science에 실린 Tan과 그의 동료들의 논문은 이 새로운 방법을 이용해 만든 태양 전지의 효율성이 20.1퍼센트에 달한다고 보고했다.

“이는 저온 가공 기술에선 최고라고 보고되었다.” Tan 교수는 고온의 옛날 방식을 사용한 perovskite 태양 전지는 22.1%로 미미하게 개선되었고, 최상급의 실리콘 태양 전지조차도 26.3% 정도만 도달할 수 있다고 덧붙여 말했다.

다른 장점은 안정성이다. 많은 perovskite 태양 전지는 단 몇 시간이 지나면 성능이 크게 저하되지만, Tan 교수의 태양 전지는 500 시간이 지난 후에도 효율성이 90% 이상 유지된다. Rubicon Fellowship의 일부로 일을 하게 되었던 Tan 교수는 “우리의 새로운 기술은 이 문제를 해결하는 쪽으로 나아가고 있다고 생각한다.” 라고 말했다.

“토론토 팀의 계산 작업은 새롭게 발전된 선택적 전자 층의 역할을 훌륭히 설명했다. 이 작업은 계산 재료 과학이 합리적이고 차세대 에너지 장치에 대해 빠르게 공을 세우고 있다고 설명한다.” 라고 하버드 대학의 화학 및 화학 생물학과 계산 재료 과학 전문가인 Alan Aspuru-Guzik 교수는 밝혔다.

또한 “최상급 실리콘 태양 전지의 품질을 높이기 위해 완성된 전지와 호환되는 차세대 박막 기술이 필요하다. 이는 토론토 그룹에서 보고된 것과 같은 적절한 처리 온도를 수반한다.” 라고 시카고 대학의 화학과 교수인 Luping Yu가 설명했다.

제조 공정 동안 차가운 온도를 유지하면, perovskite 태양 전지를 충전이 가능하도록 하는 스마트폰 덮개부터 건물의 에너지 사용을 상쇄시키는 태양광 활성 착색 창문과 같은 것에 까지 사용될 수 있다. Tan은 가까운 시일 내에 그의 기술은 기존의 태양 전지와 함께 사용될 것이라 예측했다.

Tan 교수는 “저온 공정을 통해, 우리는 perovskite 전지의 기초 재료에 손상을 주지 않으면서 실리콘을 위에 직접 코팅할 수 있게 되었다. 만약 하이브리드 perovskite 실리콘 전지가 효율성을 30%, 혹은 그 이상까지 올릴 수 있다면 태양 에너지를 훨씬 더 경제적인 제안으로 만들 수 있을 것이다.” 라고 말했다.

 

기수민 / 한양대학교사범대학부속고등학교 / 대한민국 지속가능 청소년단(SARKA) 리포터
박주윤 / 바람저널리스트 (http://baram.news / baramyess@naver.com)

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