태양으로 돌아가는 전지, 에너지 혁명을 시작하다.



무분별한 개발과 화석원료의 사용으로 지구온난화로 인한 피해가 가시화되고 있다. 갑작스런 기상 이변으로 인해 21세기 초반 미국과 유럽에서는 전례없는 폭염으로 수많은 사람들이 죽어갔으며 히말라야 산맥의 빙하 중 67%정도가 녹고 있다. 이러한 시점에서 전 세계가 지구가 보내는 경고를 진지하게 받아들이고 준비하고 있으며 그 중 하나가 친환경적인 에너지원 개발에 힘을 기울여 온 것이다. 특히 태양을 이용한 효율적인 에너지 발전 시스템 개발, 즉 태양전지는 우리가 나아가야할 방향을 제시하는 데 나침반 역할을 하고, 에너지 혁명을 시작점에 선두 역할을 하고 있다고 해도 과언이 아니다.  

녹색성장과 전기에너지

태양광 발전

태양은 매일 지구가 필요로 하는 에너지의 1만배를 보내고 있으며 이는 지구상 모든 에너지의 원천이 되고 있다. 인간의 모든 활동에는 온실가스가 발생하고 있으며 특히 인위적인 이산화탄소 발생은 지구 온난화의 주원인이 되고 있다. 온실 가스 배출량을 감축하지 못하면 21세기 말에는 지구 평균 기온이 1.4~5.8도가 증가할 것으로 예측되고 있다. 지구 온난화가뭄과 홍수의 증가, 해수면의 상승, 생태계 파괴 등 인류의 생존 기반을 무너뜨릴 위험성이 있다. 이런 가운데 태양전지와 같은 신재생에너지는 모든 에너지의 원천이며 막대한 자원 잠재력과 자원의 보편성 때문에 가장 주목 받고 있다.
 
태양전지의 역사는 1839년으로 거슬러 올라간다. 1839년 최초로 광전효과를 발견한 것이다. 광전효과란 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. 그렇게 튀어나온 전자가 전기를 발생을 시키는 시작점이 되어 우리가 전기 공급원을 사용할 수 있도록 고안한 것이 바로 태양전지인 것이다.

1870년대에는 효율 1~2%의 Se Cell이 개발되었고, 1940~1950년대 초고순도 단결정 실리콘을 제조할 수 있는 Process를 개발하여 1954년에 효율 4%의 실리콘 태양전지를 개발하였다. 이렇게 축적된 기술을 바탕으로 1958년 미국의 Vanguard 위성에 최초로 태양전지를 탑재한 이후에 모든 위성에 태양전지를 상요하여 1970년대 태양전지의 상업화가 급진전되었다. 현재 태양전지의 효율은 7~17%로 수명이 20년 이상이 되는 태양전지를 만들수 있는 기술적인 발전을 이룬 상태이다.
 
 

태양광발전, 태양열발전 무엇이 다른가?

 
미래의 에너지로 통하는 태양을 이용한 발전(發電)은 전 세계의 유행이다. 태양을 이용한 전기에너지 발생 방식으로 크게 두가지가 있다. 태양광 발전태양열 발전이 그것이다. 태양광 발전은 태양광을 직접 전기에너지로 변화시키는 기술로 햇빛을 받으면 광전효과에 의해 전기가 발생하는 발전방식이다. 반면 태양열발전은 태양광선의 파동성질을 이용하는 광열학적인 이용분야로 태양열의 흡수, 저장, 열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다.

태양광발전

태양열발전(타워형)

 
지금까지 한국에서 주로 많이 시도된 것은 태양열(熱) 발전이 아니라 태양광(光) 발전이었다. 태양광 발전의 경우 약한 태양빛으로도 발전이 가능하기 때문에 중위도에 위치한 한국은 태양광 연구가 활발한 편이다.
 
좀 더 자세히 살펴보면 태양열 발전은 기존의 발전 방식과 비슷하다. 거울 같은 장치를 이용해 빛을 모아 높은 열을 내게 한다. 돋보기를 이용하면 종이에 불을 붙일 수 있는 것과 같은 원리다. 이 열로 물이나 기름을 데우며 그때 발생하는 증기의 압력으로 발전기의 터빈을 돌린다. 물이나 기름을 데워 터빈을 돌리는 것은 화력 발전소와 비슷하다. 그 이전 과정인 빛을 모으는 것이 태양열 발전의 핵심이다. 반면 태양광 발전은 열을 모으는 것이 아니라 빛을 직접 전류로 바꾸는 것이다. 발전기가 필요 없다. 대신 실리콘으로 만들어진 반도체인 태양전지가 필요하며, 이 태양을 먹고 사는 전지가 빛을 전류로 바꾼다. 


 

태양을 먹고사는 전지, 그 기본 원리는 무엇인가?

 


태양전지는 반도체의 원리를 기본으로 한다. 태양광을 받게 되면 에너지가 반도체 내에 자유전자(-)를 생성한다. 갑자기 없던 자유전자가 생성 되는 이유는 엄청난 에너지를 가진 태양의 빛 에너지를 받고 발생하는 것이다. 그렇게 태양광으로부터 생성된 자유전자들은 신나게 움직이기 시작하고 그러다가 전자(-)와 정공(+)이 이동하면서 접합된 부위에 생성된 전기장이 생성되고 이러한 흐름을 통해 전류가 생성되는 것이다.
 

울산과학기술대학교 에너지공학부 용석 교수는 "대체 에너지의 종류는 원자력발전, 바이오 매스, 풍력발전 등이 있지만 그 중에서 가장 큰 에너지를 갖는 신재생 에너지는 태양에너지이다."라고 말하며, "태양전지를 이용하여 에너지를 생산하게 되면 지구 온난화의 주범으로 여겨지고 있는 이산화탄소의 발생을 막을 수 있고, 위험요소도 없기 때문에 가장 이상적인 에너지로 생각 할 수 있다."라고 덧붙였다.
 

 광합성을 하는 태양전지?! 고분자를 이용한 태양전지?!



우리나라의 경우 1970년대 초부터 대학과 연구소를 중심으로 연구를 시작하여 1988년부터 대체 에너지 개발 촉진법에 따라 정부차원에서 단결정 실리콘계 태양전지의 기술개발이 이루어졌다. 기술개발의 방향은 저가화와 효율 향상을 위한 태양전지 제조기술개발 및 시스템 이용기술개발을 병행하여 추진되었고, 1세대 태양전지인 단결정질 실리콘계 태양전지는 국산화 생산 체계가 갖추어졌다. 그러나 실리콘계 태양전지는 광 흡수율이 낮아 변환효율이 낮으며 실리콘 원자재의 높은 가격 탓에 경제성이 멀어져 미래의 에너지원으로 부적합하다. 그래서 이제는 실리콘 기반의 태양전지가 아닌 보다 경제적인 차세대 태양전지 연구가 필요하게 된 것이다.
 
그것이 바로 염료감응 태양전지유기태양전지이다. 연료감응 태양전지란 광합성을 통해 에너지를 얻는 식물을 모방하여 태양광을 잘 흡수하도록 고안된 염료를 전극재료에 바르고 앏은 유리막 사이에 특수 염료를 넣어 전기를 생산해내는 태양전지이다. 유기 태양전지는 전도형 고분자를 기반으로 하기 때문에 기존의 반도체 태양전지에 비해 빛의 흡수량이 1000배 이상 높다. 따라서 매우 얇은 두께에서도 빛의 흡수를 극대화할 수 있으며 기존 실리콘 재료의 1/1000만으로도 제작이 가능해 가볍고 휘어지는 구조를 구현할 수 있다.  
 
염료감응 태양전지는 기존 반도체 태양전지와 비교하면 저렴하고 소재의 특성상 투명하고 다양한 색상의 태양전지를 만들 수 있는 장점이 있다. 그러나 기존 태양전지보다 효율이 낮다는 단점이 있어, 염료의 배열, 전극과 염료의 접착력을 개선하여 효율성을 높이고 대량 생산 능력을 확보한다면 대형 시장을 형성할 수 있을 것으로 기대된다. 유기 태양전지 역시 박막형으로 만들 수 있고 낮은 가격에 소자를 제작할 수 있는 장점이 있지만 다른 태양전지에 비해 수명이 짧다는 단점을 지녔다. 하지만 최근 국내 연구팀에 의해 유기 태양전지의 성능과 수명을 획기적으로 향상시키는 기술이 개발되었으며, 이는 재료공학 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'지에 표지논문으로 게재되기도 했다.
 

태양을 이용한 전기의 생산은 이상적임에도 불구하고 전기 생산에 아주 작은 부분을 차지하고 있는데 그 이유는 태양전지의 높은 발전 단가 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재료의 저가화와 같은 다양한 방법이 있지만 가장 좋은 방법은 태양 발전 에너지 전환 효율을 높이는 일이라 할 수 있다. 태양광 산업을 발전시키기 위해서는 기존 실리콘 기발 태양전지보다 값은 저렴하면서 비슷한 효율을 가지는 태양전지의 연구가 필요하다.
 
한국화학연구원 에너지 소재 연구센터 신원석 선임연구원은 " 태양전지 소재의 경우 선진국에 비해 2~3년의 차이가 나고 있다. 소자 제작의 경우는 거의 차이가 나지 않지만, 대량 생산에 관한 공정은 4년이상의 차이가 나는 것으로 보고 있다."라며, " 우선 세계 최대효율의 태양전지 재료 개발을 하고 국내외 기업들과 연계를 통해 상업화를 성공시키는 전략을 가지고 있다."라고 덧붙였다.
 
신재생 에너지 중 무한한 에너지를 가지고 설치에 제약이 없는 태양전지를 보급하고 사용하는데 역시 국가 정책이 큰 영향을 준다. 더욱이 많은 잠재력이 있으나 현재 개발 단계에 있는 차세태 태양전지의 연구와 개발은 말할 것도 없다. 차세대 태양전지는 새로운 기술을 개발하고 개념을 정립하는 단계인 만큼 정부의 정택과 지원은 필수적이며, 아울러 태양을 효과적으로 이용하기 위한 과학자들의 끊임없는 연구개발이 병행되어야 할 것이다.
Posted by ScienDJ

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