'마의 27%' 넘어 상용화? 태양빛 받아 건물서 전기 만들까

석상일 UNIST 교수, 페로브스카이트 태양전지 연구
효율 26.08% 기록···전 세계 연구진 치열한 효율 싸움
실리콘태양전지 기술과 합친 '탠덤태양전지'도 급부상

[이데일리 강민구 기자] 기후위기로 지구는 더워지고, 전기차 등으로 전기사용량은 꾸준히 늘고 있다. 반면 인류가 쓰는 에너지 발전 방식은 한계가 있다. 화석연료를 태워 발전하는 화력 발전은 자원이 고갈되고, 환경오염 문제가 발생한다. 풍력은 환경오염 문제는 없지만, 발전 효율이 낮다. 핵융합 발전은 기술 개발과 검증을 위한 시간이 필요하다.

석상일 울산과학기술원(UNIST) 특훈교수 연구진이 차세대 태양전지 기술 상용화에 다가가며 탄소중립과 에너지 문제 해결에 앞장서고 있다.

태양전지 효율 26.08% 기록

석 교수는 페로브스카이트 태양전지 발전 효율 세계 신기록만 다섯 번 넘게 갈아치운 세계적인 석학이다. 미국재생에너지연구소(NREL)의 ‘태양전지 최고효율 차트’에서 26.08% 효율까지 달성해 이 분야 세계 정상에도 우뚝 섰다. 기존에 상용화된 실리콘태양전지 효율(26.7%)까지 위협하고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘에 불순물을 첨가해 실리콘태양전지를 만드는 것처럼 페로브스카이트라는 물질에 첨가제를 넣어 만든다.

지난 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된 칼슘티타네이트 물질을 발견한 러시아 광물학자 페로브스키의 이름에서 유래한 페로브스카이트는 특이한 물성을 가졌다. 연료전지 전극소재 등으로 주목받다가 태양전지 물질로 쓰였다. 특히 UNIST를 비롯해 성균관대, 한국화학연구원, 고려대 등 우리나라가 연구진이 효율 향상도 주도해 왔기 때문에 우리기술로 만든 ‘미래전지’를 아파트, 자동차, 우주공간에서 쓰게 될 수 있다.

석상일 교수는 “페로브스카이트 태양전지는 화학공정을 이용해 연구실에서도 쉽게 만들 수 있다”며 “태양전지 효율을 0.1%라도 높여 마의 효율(27%)에 다가가기 위한 전 세계 연구진들의 경쟁이 치열하다”고 말했다.

석상일 UNIST 특훈교수.(사진=이데일리 강민구 기자)

햇빛 받아 전기로 바꿔

태양전지는 소자를 이용해 태양빛을 받아 전기를 만든다. 현재 상용 제품은 대부분 실리콘 태양전지를 쓰는데 제조과정이 복잡해 설비가 필요하다. 높은 온도에서 작업해야 공정 때문에 ‘가성비(가격 대비 성능)’도 떨어진다.

이와 달리 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 결정성 반도체를 얇은 막으로 코팅해 만든다. 내부 결함이 적도록 박막의 결정화 거동을 제어하면 실리콘 태양전지보다 효율은 높거나 비슷하면서 절반이 넘게 가격을 낮출 수 있다.

학생들이 ‘옐로룸’에서 작업을 하고 있다.(사진=이데일리 강민구 기자)

관건은 대면적화와 안정성 향상이다. 최첨단 소재, 물질을 이용한 검증이 계속 이뤄지고 있다. 융합형 태양전지인 탠덤 태양전지의 요소기술로도 활용 범위를 넓히고 있다.

기존에 상용화돼 안전성을 입증한 실리콘물질에 페로브스카이트 박막(얇은 필름)을 쌓는 등 기술을 합쳐 하나의 태양전지가 지닌 효율보다 더 높게 만드는 셈이다. 한계 효율이 30~40%에 달해 응용 연구가 계속 이뤄지고 있다.

석상일 교수는 창업한 회사(프런티어에너지솔루션)를 통해 태양전지 대면적화, 효율 향상을 통해 상용화도 추진하고 있다. 석 교수는 “상용화에 다가가기 위해 전지판 크기(15cmX15cm)를 키웠다”며 “앞으로도 발전효율을 높이기 위해 과학 연구를 계속하고, 창업한 회사를 통해 상용화를 위해 노력할 계획”이라고 했다.

미국재생에너지연구소(NREL)가 발간하는 ‘태양전지 최고효율 차트’ 일부 갈무리, 기호별로 태양전지가 다르며 빨간선에 노란 원이 들어간 페로브스카이트 태양전지 최고 효율을 울산과학기술원이 기록중이다.(자료=미국재생에너지연구소)

강민구 (science1@edaily.co.kr)