[주간과학뉴스] 컬러풀, 원더풀, 컬러 태양전지 개발

안녕하세요. 위클리사이언스뉴스레터 김상현입니다.

문재인 대통령이 4개 정부 부처에 ‘그린뉴딜’에 대한 보고를 지시했습니다. 그리고는 5월 15일 이 내용에 대한 서면보고를 받은 후에 한국판 뉴딜 사업에 그린 뉴딜을 포함하라고 지시했습니다. 기후위기와 코로나 사태 이후 우리나라 경기 부양을 위해서 이 그린뉴딜이 중요하다고 본 건데요. 

민주당 한국형 뉴딜 티에프의 ‘그린 뉴딜을 통한 기후위기 극복과 일자리 창출’안을 보면, 3차 추경에 태양광에 무려 1500억원이라는 막대한 비용을 투자할 계획입니다. 1조원인 풍력보다는 적지만 미래차 시장 육성에 책정한 1000억원보다도 많은 금액이네요. 

네. 그렇습니다. 오늘 이야기는 태양전지에 관련한 내용입니다.

일단 태양전지의 원리부터 복습해 볼께요. 태양전지는 아인슈타인의 광전효과를 이용한 대표적 기술인데요. 광전효과는 금속이 빛에 노출되면 전자가 튀어나오는 현상이죠. 전자가 튀어 나가면서 한쪽은 양극, 다른 한쪽은 음극이 되면서 전위차로 전류가 만들어지는 원리입니다. 

아무튼, 본론으로 돌아와서 여러분은 태양전지하면 어떻게 생긴 것이 떠오르시나요? 네모반듯하고 검은색 판이 가장 먼저 생각나실텐데요. 그래서 건물 등에 설치했을 때 예쁘게 보이기 힘들죠. 그런데 한국전자통신연구원에서 컬러풀한 태양전지를 만들었습니다. 

기존에 있던 검은색 태양전지에 추가 공정이나 비용도 들이지 않고 다양한 색상구현이 가능한데요. 이름 해서 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지입니다. CIGS는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 이뤄진 화합물입니다. CIGS 박막 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환하는 데 사용하는 차세대 태양전지입니다. 유리기판 등에 CIGS를 얇은 막으로 쌓아 올려서 만듭니다.

지금 주변에서 쉽게 볼 수 있는 태양전지는 실리콘을 이용해서 제작한 제품인데요. CIGS 박막 태양전지는 비 실리콘 계열 태양전지 중에서 광을 흡수하는 능력이 탁월해서 태양광을 에너지를 바꾸는 효율이 가장 좋고 안정성이 뛰어납니다. 실리콘 계열 태양전지보다 필요한 원자재가 적고 그렇기 때문에 공정과 재료에 들어가는 비용도 저렴합니다.

이런 장점이 있는 태양전지에 보라색, 녹색, 파란색 등 7가지 이상의 색깔을 구현해 낸 건데요. 태양전지에 색을 입힌다는 아이디어는 물 위에 떠 있는 기름띠가 무지개색으로 보인다는 것에서 시작했습니다. 그 이유는 빛의 간섭 때문인데요. 박막 구성층 두께를 조절하면 비슷한 효과를 만들 수 있다는 거죠.

연구진이 만든 박막 태양전지는 두께가 3 나노미터 밖에 되지 않습니다. 유리기판에 코팅이 가능한 것은 당연하고 유연기판에도 코팅이 가능합니다. 유연기판에 코팅이 가능하니까 구부리거나 접을 수 있는 형태로 제작이 가능합니다. 그러니까 건물 유리창에도 붙일 수 있고 다양하게 활용할 수 있는거죠. 

태양전지에 색만 넣은 것이 아니라 상용화에 가능하도록 기술적인 향상도 올려놨는데요. 이전까지 CIGS 박막 태양전지는 유해 중금속인 카드뮴을 합유한 소재인 황화카드뮴을 사용해 왔습니다. 당연히 상용화에 걸림돌이었는데요. 연구진은 황화카드뮴 대신 인체에 무해한 아연 함유 소재를 사용할 수 있도록 개발했습니다. 황화카드뮴을 쓴 박막 태양전지와 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 비슷하게 뽑아낼 수 있다고 하네요.

뿐만 아니라 ETRI 연구진은 새로운 분석법으로 효율 향상 메커니즘도 규명했는데요. 연구결과는 세계 최고 수준의 에너지 분야 국제 학술지인‘나노 에너지(Nano Energy)’와‘프로그레스 인 포토볼태익스(Progress in Photovoltaics)’에 각각 게재되어 기술의 우수성을 입증했습니다.

이번 연구결과가 상용화가 되면 칙칙했던 태양광 패널에 새로운 디자인 요소가 가미돼 도시 경관에도 많은 도움이 될 수 있을 것 같네요. 그래도 태양전지의 고질병인 낮은 효율은 조금 더 높일 수 있으면 좋겠어요. 

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