태양전지에도 세대차이가 있다? ! [태양광전지와 그리드 패리티 시점에 관한 인터뷰]

 

 

태양전지에도 세대차이가 있다? !

 

태양광전지와 그리드 패리티 시점에 관한 인터뷰

 

석유 자원의 고갈에 대한 대책으로 신 재생 에너지에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 태양광 분야에서도 1차 실리콘전지부터 현재 연구진행중인 3차 염료감응태양전지<DSC(Dye sensitized solar cell)>까지 많은 발전이 있었다. 그 중 염료감응태양전지 분야와 신 재생 에너지의 그리드 패리티 시점에 대해 알아보고자 현재 전북대학교 화학과 이효중 교수님과의 인터뷰를 진행했다.

 

 

이효중 교수님

- 전북대학교 화학과에 재직 중이며, 3세대 태양전지 중 염료감응태양전지 (DSSC) 와 양자 점 감응 (Quantum-dot Sensitized) 태양전지에 대해 주로 연구 하고 있다.

 

 

 

Q.1 제 3세대 태양전지는 조금 생소한데, 연구분야에 대해 간단하게 소개를 한다면?

 

- 빛을 흡수하는 물질 (Dye or Quantum - dot)을 통해 빛을 흡수해서 그 물질과 연결되어져 있는 TIO2층에 전자를 전달하여 전선을 통해 전류를 발생시키면, 내부에 있던 다른 전자가 들뜨게 되며 생기는 정공 부분은 전해질을 통해 다시금 산화/환원 반응을 통해 원래 본 상태로 돌아가게 되는 것이 3세대 태양전지의 핵심 원리이다. 저는 이러한 다양한 재료들 사이의 전하 전달에 따른 동력학적 및 계면 사이의 반응에 관한 기본 연구를 통하여 반응 원리 이해 및 효과적인 광전 변환 장치 개발을 목표로 한다.

  

 

Q.2 3세대 태양전지를 연구하게 된 계기는?

 

-전기화학실험실에 있었던 박사 시절, 실질적으로 도움이 되고 재미있는 것을 하고 싶다는 생각이 들었다. 당시 계면에서 일어나는 반응을 주로 연구했는데 태양전지의 경우 박막이라는 계면에서 전자전달을 일어나는 과정이기 때문에, 자연스럽게 흥미를 가지게 되었다.당시 태양전지 중에서 화학전공자로서 연구할만한 부분은 당시에 3세대가 유일했다. 3세대 태양전지를 개발한 과학자도 화학자였고, 모든 구성성분이 화학물질로 이루어져 있어서, 자연스럽게 염료감응 태양전지에 대해 관심을 가지게 되었다.

  

 

 

Q.3 제 3세대 태양전지가 이전과 가장 큰 차이점은 무엇입니까?

 

- 우선 사용하는 재료가 다르다. 실리콘과 박막의 경우엔 실리콘 결정과 박막이 전자를 흡수하는 역할과 전달하는 역할을 모두 수행한다면, 3세대는 그 안에 매우 다양한 물질이 정교한 배열을 가지고 있다. 그래서

 

작동원리 관점에서는 1.2세대의 경우 박막이 중요한데. 박막에서 빛을 흡수하고 전자가 들뜨고 이러면서 전자와 정공이 만들어 지고 이것들이 반대방향으로 움직여야 하는데. 움직이는 물질 또한 빛을 흡수하는 물질과 동일하다 실리콘에서 빛을 흡수해야하고, 전자와 정공을 반대방향으로 이동시켜줘야 한다. 순도가 떨어질 경우 결함이 생겨서, 결함에 잡혀서 전자가 이동을 할 수가 없다. 그렇기 때문에 순도가 매우 중요하다.

 

3세대에서는 1,2세대에서 필요로 하던 고순도의 조건이 완화되었다. 이것이 가능한 다른 이유는 빛을 흡수하는 물질과 전자 와 정공을 전달해 주는 물질이 다르기 때문이다. 염료감응태양전지의 경우 염료가 빛을 흡수하게 되면 들뜬 전자가 TIO2로 이동하고, 정공은 전해질에서 이동을 하게 된다. 염료가 하는 일은 한 가지, 빛만을 흡수한다. 3세대에서는 이렇게 빛을 흡수하는 물질과 전하를 전달하는 물질이 나누어지게 되었다.

 

어떻게 보면 차이가 없어 보일 수 있지만, 물질이 바뀌게 되면서 작동원리가 달라지게 된다.  1,2 세대의 경우 순도만 높일 경우에 박막 안에서 모든 것이 이루어 지기 때문에 문제가 되지 않지만, 3세대의 경우 그 안에서 여러 가지 물질들이 결합 되어있다. 물질을 여러 개 사용할 경우엔 계면이 매우 중요한데, 1,2세대는 계면이 하나 이지만, 3세대는 계면이 여러 개이다.  계면이 적으면 적을수록 다루기가 쉽고.  많아질수록 다루기가 힘들어진다.

 

그래서 3세대가 기존의 세대 전지보다 연구 개발 비용과 시간이 많이 들지만, 1,2세대의 한계성에 비해 잠재력이 월등히 뛰어나기 때문에 현재 전세계적으로 연구를 투자하고 있는 상태이다.

 

 

	재료	계면	종류	발전방향	비고
1,2세대	실리콘	1개	실리콘 박막 전지	실리콘 자체 성능	실리콘 자체 순도 만의 한계
3세대	유기 화합물	여러 개	염료 감응 전지	적정 화합물 결합 모색	다양한 화합물 결합에 따라 발전 가능성 무한함

<3세대가 비교적 1,2세대 보다 연구 개발 과정이 복잡함 (계면의 숫자에 어려움이 비례)>

 

 

 

Q.4 염료감응 태양전지가 많이 알려지지 않았는데, 상용화까지의 걸림돌이 있다면? 또한 시장에서의 경쟁력을 갖추기 위해 어떠한 부분에서 노력을 해야 하는가?

 

- 1,2세대의 점유율이 99%에 달하기 때문에 일반인들에게는 생소할 것이다. 현재 염료감응 전지의 경우 실제 상용화 보다는 학교나 연구기관들에 많은 관심을 받고 있다. 중/고등학교 과학시간에 전시용으로 만들기 간편하고, 실험실에서도 쉽게 만들 수가 있기 때문이다. 하지만 이것들이 실리콘이나 박막 보다 실용적으로 만들기 위해서는 아직 많은 연구가 진행 되어야 한다.

 

하지만 앞으로의 전망을 밝다고 생각한다. 1,2 세대 실리콘 전지 효율의 70%정도까지 접근하게 되면 대체가 가능하고, 생산 공정이 간단하고, 대량생산이 가능하기 때문에 가격경쟁력도 확보할 수 있다는 점에서 기대가 크다. 문제는 안정성과 효율 부분이 되겠다. 빛을 쬐는 조건에서 안정성,효율에 있어서는 아직까지 실리콘과 박막을 따라잡을 수 없다. 그렇기 때문에 3세대 연구하는 사람들은 효율, 안정성 그리고 새로운 아이디어, ‘어떻게 하면 새로운 물질을 도입, 배열하는 것이 좋을까’ 이러한 면에 있어서 굉장히 노력을 하고 있다. 3세대는 지난 10년 동안 암흑기를 지나왔다. 처음 10년은 신기한 측면에서 시작했지만 그 이후 10년을동안 발전 속도가 매우 느렸기 때문이다. 오늘날은 암흑기를 지나 다시금 굉장히 활발히 연구가 진행되고 있다. 시간여유를 갖고 연구를 꾸준히 진행 한다면 머지않아서 상용화 되리라고 보고 있다.

	효율	재료 및 생산 단가
1,2세대	비교적 높음 (하지만 정체됨)	높음
3세대	비교적 낮음 (연구로 인해 상승 중)	낮음

 

 

 

 

Q.5 제 4세대 태양전지가 있다면?

 

- 3세대와 다른 면을 봐야 할 것이다. 한 가지 예를 들면, 분자 수준에서 조절해 온 지금과는 달리, 원자나 광자 수준에서의 조절을 할 수 있다면 4세대라고 부를 수 있을 것이다. 이미 많은 연구가 진행 되고 있다. 다른 예로, 지금까지 이론적 한계를 뛰어 넘는 효율을 내는 기술 또는 지금까지 태양전지들은 주로 가시광선 영역에 해당하는 빛들을 흡수해서 사용했던 것과는 달리 적외선 등을 이용하는 기술, 손실을 획기적으로 줄인 기술 등을 연구로 테마로 잡는다면 그것을 4세대 태양전지라 부를 수 있을 것이다. 하지만 4세대가 나오기 위해서는 우리가 지금 하고 있는 3세대가 훨씬 더 발전 및 개발이 돼야 할 것이다.

 

 

 

Q.6 그리드 패리티(grid parity)가 예상되는 시점과 또 그 시기를 앞당기기 위해 필요한 노력은?

<그리드 패리티 : 태양에너지의 가장 큰 단점은 초기설계비용과 발전단가가 높다는 것이다. 이 단점을 보완하기 위해 연구개발을 하면 어느 순간 석유발전 단가와 같아지는 시점이 생기는데, 그 시점이 바로 그리드 패리티 이다.>

 

<연도별 에너지원 비율 예상도>

 

 

<출처 : 독일 지구변화자문위원회>

(시간이 갈수록 태양에너지에 대한 의존도가 기하 급수적으로 상승함을 볼 수 있다.)

- 정확히 판단하기 쉽지 않은 문제다. 얼마 전 개발 초기에는 1와트당 10달러정도였던 실리콘 태양전지가격이, 1달러 이하로 떨어졌다는 신문기사를 보았다. 이처럼 실리콘 전지의 가격은 지속적으로 하락하고 있다. 대량생산이 가능하게 되고 재료가 원활히 공급된다면 가격은 더욱 하락할 것이다. 아직 석유가격에 미치지 못하지만, 박막과 3세대 태양전지 모두 어느 순간엔 석유와 가까워 지는 시기에 도달 할 것이다. 하지만 이시점에 대한 예상은 매우 유동적일 수 밖에 없다.

 

 

 

 

(위의 그래프를 참고하면 그리드 패리티 시점이 거의 다가온 것 처럼 보일 수 있으나, 전기세 상승과 탄소세 적용에 따른 그래프이기 때문에 갈길은 아직 멀다고 할 수 있다.

3세대 전지는 아직 개발단계이기 때문에 경제성이 떨어진다.

 위 그래프는 실리콘 박막 전지 기준이다.)

 

그리드 패리티(Grid parity) 시점의 도래를 위해서는 생산단가와 인프라가 함께 구축 되어야 한다. 이러한 부분까지 고려해보면 아직까지는 석탄/석유에 의존하는 시대가 될 것으로 보인다. 하지만 화석에너지는 자원 고갈 문제뿐 아니라, 이산화탄소 발생을 포함한 환경문제 등을 안고 있다. 그렇기 때문에 많은 이들이 신 재생에너지를 연구 중이다. 기술의 발전에 따라 많은 인력과 자본을 필요로 하지만 언젠가는 분명히 바뀌어야 하기 때문에 반드시 나아가야 하는 부분이다. 개발속도가 느리기 때문에 장기적으로 보고 발전시켜야 한다.

석유발전단가	바이오매스	조력	연료전지	태양에너지
68.9원	69원	77원	168원	570원

<국내 kw당 원 기준, 국제경제부 >

 

 

 Q.7 교수님이 생각하시는 태양전지의 매력은?

 

- 우선, 이 분야가 인류가 반드시 해결해야 하는 문제와 직접적으로 관련되어있다는 점에서, 연구자 입장에서는 큰 흥미를 느낀다. 재료나 다른 여러 부분에서도 중요하지만, 3세대는 특히 화학자 입장에서는 ‘어떠한 조건에서 어떠한 물질들을 사용하여야 하는가’ 라는 매우 흥미로운 문제를 연구자에게 던진다. 이 질문의 답이 인류 공생의 문제와 직결되어 있기 때문에 연구를 하는 입장에서 열정이 생길 수 밖에 없다. 이것이 태양전지의 매력이 아닐까 한다.

 

 

 

 

S.F 7기 김재현 (sincowkjh2@naver.com)

 

S.F 7기 김범석 (bome9684@naver.com)

 

S.F 7기 진선태 (tjwxo8481@gmail.com)

 

S.F 7기 김지원 (kimjiwon0222@gmail.com)