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페로브스카이트, 태양광 발전의 변화가 시작되는 이름

  • 조회 : 95
  • 등록일 : 2019-09-09
페로브스카이트, 태양광 발전의 변화가 시작되는 이름의 대표사진

과학상식

페로브스카이트, 태양광 발전의 변화가 시작되는 이름

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물에 붙여진 이름입니다. 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovsky)의 이름을 땄지요. 또, 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 1:1:3 비율로 규칙적인 결정을 이루는 물질을 총칭하기도 합니다. 빛을 잘 흡수하는 특성을 가져, 태양전지, 발광다이오드(LED), X-ray 등에 활용되죠. 페로브스카이트가 사용되는 분야 중에서 가장 기대되는 것은 바로 ‘태양전지’입니다. 이미 몇 년 전부터 흔히 사용되는 실리콘 태양전지의 아성을 위협할 새로운 소재로서 많은 이들에게 연구되었는데요. 우리나라를 중심으로 주목할 만한 연구성과가 폭발적으로 쏟아지고 있습니다.


차세대 태양전지 소재의 새로운 얼굴

1세대 실리콘 태양전지가 상용화된 후, 과학계는 새로운 태양전지 개발을 위한 열망으로 가득했습니다. 기존 태양전지는 제조과정이 복잡하고 생산단가가 비싸 대규모로 설치하기에는 무리가 있었죠. 2세대 태양전지 중 하나인 염료감응형 태양전지를 거쳐, 지금은 3세대 태양전지 시대입니다. 양자점 태양전지, 유기 태양전지, 페로브스카이트 태양전지가 3세대의 중심에 서 있습니다. 페로브스카이트는 처음엔 그리 주목받지 못한 소재였는데요. 연구가 거듭되며 페로브스카이트의 새로운 면면이 발견되고 있습니다.

페로브스카이트가 태양전지로서 가능성을 연 것은 2009년 일본, 미야자카(Miyasaka) 교수팀에 의해서입니다. 처음 개발된 것은 액상 페로브스카이트 결정을 사용했고, 광전변환효율이 3%에 불과했죠. 때문에 큰 주목을 받지 못했던 게 사실입니다. 하지만 2012년 성균관대학교 박남규 교수팀의 연구에 의해 상황이 완전히 달라졌습니다. 고체상 페로브스카이트 결정을 사용하면서 광전변환효율이 9.7%까지 치솟은 거죠.



이후 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 활기를 띠기 시작했습니다. 2013년에는 스위스 로잔 공대 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 교수팀이 광전변환효율을 15%까지 높였고요. 2019년 1월에는 중국과학원이 23.7%를 기록하면서 세계 1위를 달성했죠. 하지만 현재 기술력은 우리나라가 꽉 잡고 있습니다. 최근 광전변환효율 세계 1위 타이틀을 다시 가져왔을 뿐만 아니라 안정성을 확보할 수 있는 기술까지 개발했기 때문입니다.

우리 기술로 에너지 효율과 안정성을 모두 잡다

올해 8월, 한국화학연구원-MIT 공동 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율을 25.2%까지 끌어올리는데 성공했습니다. 지난 4월에 24.2%를 달성해 세계 1위 자리를 탈환한지 4개월만의 일이죠. 실리콘 태양전지의 광전변환효율은 26%입니다. 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율이 실리콘 태양전지를 넘어설 날이 얼마 남지 않았다는 걸 알 수 있습니다.


한국과학기술연구원에서도 의미 있는 성과를 거뒀습니다. 기능성복합소재연구센터 김태욱 센터장 연구팀과 전남대학교 이상현 교수팀이 공동연구를 진행했는데요. 인체에 유해한 납을 사용하지 않은 페로브스카이트 소재 합성법을 개발했습니다. 페로브스카이트 합성과정에서 납을 사용한다는 것은 치명적인 단점이었는데요. 나노 구조체 성능을 극대화하기 위해서는 어쩔 수 없는 선택이었죠. 하지만 페로브스카이트가 상용화되기 위해서는 이 문제를 꼭 해결해야만 했습니다. KIST-전남대 공동연구팀은 납 대신 희토류 원소인 이터븀(Ytterbium)을 사용해 고품질, 고균일도, 저독성을 이뤄냈습니다.


페로브스카이트가 상용화 되기 위해서는 여전히 풀어야 할 숙제가 많습니다. 비용적인 측면은 차치하더라도 효율과 안정성에 대한 것은 더 큰 목표, 더 뜨거운 연구열정이 필요합니다. 하지만 그 미래는 분명히 밝습니다. 페로브스카이트에 대한 꾸준한 투자와 연구가 진행된다면 새로운 미래가 열릴 수 있을 겁니다. 페로브스카이트의 어제와 오늘, 그리고 내일을 마음에 담으며 한 가지 소망을 품어 봅니다. 친환경 에너지 개발의 중심에, 우리 기술로 완성된 페로브스카이트 태양전지가 굳건히 자리하기를. 그래서 우리의 삶을, 우리의 세상을 변화시킬 수 있는 씨앗이 되기를요.

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