무한한 천연 에너지원으로 각광받고 있는 태양 에너지, 어떻게 에너지가 만들어지는지 알아보자.
태양광은 두 가지 방식으로 활용가능하다. 첫째로 태양광을 직접 흡수하여 열로서 활용하는 방식이 있고, 둘째로 태양광을 통해 전기를 생산하는 방법이 있다. 특히 전기가 강조되는 현대에는 태양광을 통해 전기를 생산할 수 있는 ‘태양전지’가 각광을 받고 있다.
태양전지란?
태양전지는 실리콘 등의 반도체 물질로 구성된 고체에 빛을 비추어 전지 내부에 전류가 흐르게 하는 원리를 이용한다. 전지 내에는 N형과 P형의 두 반도체가 존재하는데 빛을 받아 발생한 전자(-)와 정공(+)은 각각 N형, P형 반도체로 이동해 전위차(전력)가 발생한다. 이때 전지의 전극을 통해 전류가 흐르게 하는 것을 광기전효과(photovoltaic effect)라 한다.
태양전지의 종류
태양전지는 편의에 따라 일반적으로 1세대에서 3세대까지로 나눌 수 있다. 1세대 태양전지는 실리콘 태양전지로 P형과 N형 반도체 물질을 단일층으로 접합한 구조 또는 여러 개가 층층이 쌓인 형태를 가진다. 실리콘 태양전지는 일반적인 발전용 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하는 대표적인 태양전지 형태이다. 아직까지는 태양광 에너지를 전기로 변환할 수 있는 이론적 효율이 30% 미만이고, 화석연료에 비해 발전 단가가 다소 높다. 그러나 탄소 저감 등 환경적 요인 등을 고려하면 그 경제성이 몇 년 내에 향상될 것으로 보인다. 2세대 태양전지는 비정질 실리콘, CIGS 등의 태양전지로 대량생산을 통한 저가생산이 가능하다. 또한 얇고, 경우에 따라 유연한 필름 형태로 제작할 수 있다. 그러나 태양광 흡수 영역이 좁아 효율이 다소 낮고, 장기간 사용할 경우 태양전지의 성능이 결정형에 비해 빨리 떨어지는 경향을 보인다.
이러한 1세대 및 2세대 태양전지에 이어 새로운 형태의 태양전지로 분류되는 3세대 태양전지는 주로 유기물을 활성물질로 활용하는 염료감응형 태양전지(DSSC, dye sensitized solar cells) 또는 유기 유연 태양전지(OPV, organic photovoltaics) 등을 들 수 있다. 3세대 태양전지들은 농도가 엷어 반투명하게 제작 가능하거나 유기고분자와 같이 유연한 성질이 있어 구부리거나 접을 수 있다. 이런 기능들을 통해 제작 과정을 개선, 생산원가 절감효과를 증가시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.
임찬 교수님이 연구하는 3세대 태양전지
건국대학교-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소에서는 주로 3세대 태양전지로 일컬어지는 염료감응형 태양전지 또는 유기 유연 태양전지에 대한 효율 향상이나 근본적인 작동원리 이해를 위한 연구개발을 하고 있다. 이들 차세대 태양전지의 응용성을 검증하여 향후 실제 활용할 수 있는 태양전지 연구개발을 동시에 진행중이다.
염료감응형 태양전지는 이산화티타늄(TiO2)등의 광전극에 붙어 있는 염료를 이용한다. 염료가 태양광을 선택적으로 흡수해 전자가 방출되고 전자와 정공이 나뉘어 전자는 TiO2로, 정공은 전해질용액을 통해 전류가 흐르게 된다.
염료감응형에 비해 주로 용액으로 처리가 가능한 유기 고분자 반도체를 사용하는 유기 태양전지는 고분자 소재 특성을 이용하여 유연한 재질의 태양전지 제작이 가능하다. 염료감응형 태양전지는 빛이 투과하는 방식의 태양전지를 제작할 수 있다. 향후 건물의 창호나 외관으로 적용가능한 ‘건물일체형 태양전지’로써 활용될 수 있다. 또한 실리콘 태양전지와는 다르게 유연한 기계적 특성으로 인해 여러 형태로 활용이 가능하며, 연속공정을 통한 생산원가 절감이 가능할 것으로 보인다. 이와 같은 많은 장점으로 인해 연구자들의 관심을 모을 것으로 보여진다.
건국대학교-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소(KFnSC)
차세대 태양전지 연구소는 우리 대학 미래에너지관에 위치하고 있다. 우리대학 분자첨단기술연구소(MAT, 현재는 건국대학교 미래에너지 특수연구소로 확대개편)와 독일 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(ISE, Institute for solar energy systems)가 서울특별시의 지원을 받아 2009년 5월 개소했다. 프라운호퍼 태양에너지시스템 연구소는 현재 독일 40여개 도시에 각 분야별 60여개의 연구소를 가진 유럽 최대의 응용과학 연구소 협회 Fraunhofer Gesellschaft의 일원으로 유럽 최대 최고의 태양에너지 연구소이다.