[표지로 읽는 과학] 종이처럼 얇고 고무처럼 구부러지는 태양전지

네이처 제공

빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 태양전지는 대표적인 친환경 에너지다. 건물 외벽이나 각종 전자기기에 부착하면 환경오염 없이도 전기에너지를 획득할 수 있다. 가까운 미래 태양전지의 활용폭은 지금보다 더욱 커질 것으로 기대된다.

국제학술지 네이처는 이번 주 표지로 태양전지를 옷처럼 두른 가로등의 모습을 실었다. 이미지 속 태양전지는 겨울철 나무의 보온을 위해 두르는 볏짚 꾸러미처럼 가로등의 기둥을 부드럽게 감싸고 있다. 하지만 ‘고무처럼 구부러지는’ 이 표지 이미지 속 태양전지는 이전까지의 기술로는 구현할 수 없었다. 

머지않은 미래 고무처럼 구부러지면서 효율이 높은 ‘플렉시블’ 태양전지를 일상생활에서 만나보게 될 것으로 기대된다. 리우 웬주 중국과학원 연구원 연구팀은 두께 50~60㎛(마이크로미터·100만 분의 1m)에 불과하면서도 광전 변환 효율(발전효율)이 우수한 ‘초박막 플렉시블 태양전지’를 개발하는 데 성공했다. 이번에 개발된 태양전지는 가벼우면서도 충격에 강해 곡면 구조를 가진 구조물 등에 점차 활용될 것으로 전망된다. 연구 결과는 24일(현지시간) 국제학술지 ‘네이처’에 게재됐다.

플렉시블 태양전지 개발은 과학기술계에서도 오랜 난제였다. 앞서 페로브스카이트 등의 소재로 개발된 태양전지는 유연한 성질은 가졌지만 전력변환효율(PCE)이 낮았으며 유독물질을 방출하거나 불안정한 작동조건에서 성능이 저하되는 등의 단점이 있었다.

실생활에서 사용할 수 있을 정도의 높은 효율을 가진 플렉시블 태양전지를 구현하기 위해선 실리콘 기반의 태양전지 개발이 필수적이었다. 문제는 실리콘은 굽혀질 때 쉽게 부서지고 균열이 발생하는 성질을 가졌다는 것이다. 

웬주 연구원 연구팀은 이번 연구에서 ‘엣지라운드’란 처리기술을 통해 실리콘 기반 태양전지의

딱딱한 성질을 극복했다. 아주 얇으면서도 고무처럼 구부러진다는 것이 연구팀의 설명이다. 실험을 통해 확인한 결과 이 태양전지는 1000번 굽혀진 뒤에도 전력 변환 효율을 100% 유지했다. 영하 70도, 영상 85도 각각 매우 춥거나 더운 환경에서도 120시간 동안 전력 효율 99.62%를 유지하는 것으로 나타났다.

연구팀은 “이번에 개발된 ‘접을 수 있는’ 태양전지는 전력효율이 높으면서도 공정처리가 단순해 대량생산이 가능하다”며 “향후 건축물, 교통수단, 휴대용 전자기기 등 다양한 환경에서 활용이 가능할 것으로 기대된다”고 전했다. 

[박정연 기자 hesse@donga.com]