창문에 붙이는 '컬러 태양전지', 친환경 소재로 또 한번 진화

테크 & 사이언스

높은 발전단가·폐기물 발생 등
'실리콘 계열 전지' 단점 많아

ETRI 개발한 '박막 태양전지'
유해물질 대신 무해 완충제 사용
광전변환효율도 18%로 우수

ETRI 연구팀이 개발한 컬러 태양전지가 도심 건물에 적용된 조감도. /ETRI 제공

대체에너지로 종종 거론되는 실리콘 태양전지는 사실 그다지 친환경적이지 않다. 발전단가가 높고, 광전(빛→전기) 변환효율이 한계에 도달한 데다 폐기물도 다량 발생하기 때문이다. 비실리콘 계열 태양전지 연구가 활발해진 이유다. 유기 태양전지, 박막 태양전지 등이 대표적이다.

태양전지 종류는 다양하지만 기본 원리는 같다. ‘외부 충격’인 태양광이 전지에 들어오면 전자와 정공(양전하 운반 입자)이 각 전극으로 이동하고 이때 전위차에 따라 전류가 흐르게 된다.

유기 태양전지는 태양광이 유입되는 외부 투명기판 아래로 투명전극, 광활성층, 금속전극이 차례로 쌓여 있다. 핵심은 광활성층이다. 여기엔 p형 반도체에 상응하는 전자주개(doner)와 n형 반도체에 상응하는 전자받개(acceptor)가 섞여 있다. 전자주개는 전자를 공여하는 이온, 원자, 분자 등으로 구성된 유기물 소재, 받개는 그 반대다.

신원석 송창은 한국화학연구원 연구원과 임은희 경기대 화학과 교수는 광전변환효율을 높일 수 있는 유기 태양전지용 전자받개 신소재 T2-ORH를 개발했다고 최근 밝혔다.

지난 20여 년간 유기 태양전지 전자받개는 탄소 원자가 축구공 모양으로 뭉친 소재 풀러렌이 주로 쓰였다. 풀러렌은 전자 이동 속도를 높여주지만 빛 흡수량이 적었다. 그래서 등장한 게 비풀러렌 계열 전자받개 소재인 ITIC다. ITIC는 합성 절차가 복잡하다는 단점이 있었다.

T2-ORH는 ITIC보다 저렴하고 합성 방법도 간단한 신소재다. 연구팀 관계자는 “T2-ORH는 g당 합성 비용이 40달러로 ITIC보다 20분의 1가량 저렴하다”고 설명했다. 광전변환효율도 높아졌다. 주로 가시광선과 근적외선을 흡수하는 전자주개와 다른 파장대(자외선) 흡수까지 가능하기 때문이다. 빛 흡수를 두고 전자주개와 받개 간 충돌(경쟁)이 덜 일어난다는 뜻이다. T2-ORH를 사용해 제조한 유기 태양전지는 광전변환효율이 0.1㎠당 9.33%로 ITIC 기반 태양전지(7.46%)보다 높다.

건물 바깥 유리창에 붙여 알록달록한 색상을 내는 박막 태양전지를 친환경으로 제조할 수 있는 기술도 나왔다. 한국전자통신연구원(ETRI) 신소재연구실 정용덕 책임연구원과 조대형 이우정 선임연구원은 기존 태양전지에 별다른 공정 없이 붙여 사용할 수 있는 구리인듐갈륨셀레늄(CIGS) 태양전지를 개발했다.

CIGS 태양전지는 비실리콘 계열 태양전지 가운데 광전변환효율이 높은 편이고 공정 및 재료비도 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 유해 중금속인 황화카드뮴을 완충제로 써야 한다는 결정적 단점이 있었다.

ETRI 연구팀은 황화카드뮴을 대체할 수 있는 인체 무해 완충제를 개발해 CIGS 태양전지에 적용했다. 그 결과 18%에 달하는 광전변환효율을 달성했다. 또 연두 노랑 보라 주황 등 일곱 가지 색상을 구현해냈다. 이 박막 태양전지의 두께는 3마이크로미터(㎛)에 불과하다. 연구팀 관계자는 “물에 떠있는 기름띠가 무지개색으로 보이는 빛의 간섭 원리에 착안해 박막 두께를 미세하게 조절하면서 여러 색깔을 구현하는 데 성공했다”고 설명했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘도심 분산전원용 고성능 플렉시블 무기 박막 태양전지 원천기술 개발’ 과제의 지원을 받았다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com