불의 발견, 전기의 발명 등으로 에너지를 이용하면서, 인류는 문화 진화적으로 큰 전환점을 이뤘고, 문명을 빠르게 비약적으로 발전시켰다. 그후, 18세기부터 19세기에 걸친 산업혁명은 곧 에너지에 의한 '에너지 혁명'이었으며, 현대 사회는 여전히 더 효율적인 에너지를 얻기 위한 ‘에너지 전쟁'을 벌이고 있다.
현재 세계 각 나라들은 다양한 신재생에너지 자원 중에서도 지속 가능하며, 동시에 친환경적이고, 영구성을 지니는 태양전지의 기술 개발에 힘을 기울이고 있으며, 우리나라 또한 선진국에 뒤쳐지지 않으려고 기술 개발에 총력을 기우리고 있다.
태양전지는 현재 가장 현실적인 신재생에너지로서 관심을 끌고 있으나, 원료의 85%가 단가가 높은 실리콘 재질이라는 점이 상용화의 장애물였다. 그러나 최근 이 난제를 해결할 '페로브스카이트 태양전지'가 등장해서 현대 에너지 사회는 2차 에너지 혁명을 맞이하고 있다.
▲ 페로브스카이트 태양전지란?
페로브스카이트(perovskite)란 러시아 우랄산맥에서 발견된 결정질 광물이다. 화학식은 CaTiO3(타이타늄산칼슘)로, 이 물질을 원료로 사용한 태양전지가 바로 페로브스카이트 태양전지다. 앞서 언급했듯이, 기존의 실리콘 재질의 태양전지들과는 달리, 페로브스카이트 태양전지는 저비용으로 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다는 점에서 전문가들의 관심을 모으고 있다.
페로브스카이트 태양전지의 강점 중 하나는 실리콘 재질의 태양전지들에 비해 제조과정이 단순하다는 것이다. 기존의 실리콘 재질 태양전지들은 높은 순도의 단결정이 필요해서 제조과정에서 진공펌프나 가열장치와 같은 복잡한 설비가 있어야 했다.
반면, 페로브스카이트 태양전지는 결정이 용해된 용액을 붓과 같은 장치로 태양전지 필름에 바르기만 하면 된다. 이 뿐만 아니라, 실리콘 재질의 태양전지들은 적은 태양광으로는 작동되기 어렵지만, 페로브스카이트 태양전지는 소량의 태양광에도 반응하여 빛을 흡수하고 에너지를 생성할 수 있다.
▲ 페로브스카이트 태양전지의 문제점 및 개선 필요성
다양한 원소로 구성되는 페로브스카이보다 단결정체로 구성된 실리콘 재질 형태의 태양전지가 대량생산하는 데에는 편리하다. 또한 페로브스카이트 태양전지는 열화되어 페로브스카이트 결정에 포함되는 납과 다른 화합물이 새는 경우가 생길 수 있어서 이에 대비해야 한다. 따라서 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 과정에서 오염으로 인한 주변 환경의 피해를 막기 위해 화합물이 배출되지않거나 이를 대체할 수 있는 원소를 발견하는 방향으로 집중적인 연구 및 개선이 이뤄져야 한다.
▲ 상용화에 대한 가능성과 전망
페로브스카이트 태양전지의 두께는 기존의 실리콘 재질 태양전지들에 비하여 1/100 정도이며 뛰어난 유연성을 지니고 있다. 이러한 페로브스카이트 태양전지의 특징이 상용화에 유리하다. 얇고 설치가 용이한 장점을 살려 페로브스카이트 태양전지를 건물의 창문, 벽. 또는 자동차에 부착하여 설치하려는 시도 및 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, 일본에서는 이미 상용화된 사례들이 있다.
태양전지의 축전 기능을 연구하는 일본 동경대 첨단과학기술연구센터의 세가와 히로시 교수는 “다양한 기기가 인터넷을 통해 연결되는 현대 네트워크 사회에서 많은 곳에서 전지가 필요하다”고 말했다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 역할이 앞으로 더 확대될 것임을 예상한 말이다. 국내에서는 지난 2017년 3월 울산과학기술원(UNIST)가 페로브스카이트 태양전지의 효율을 21.1%(세계 최고치)까지 끌어올리는 데에 성공하여 세계적인 주목을 받았다.
현시점에서는 페로브스카이트 태양전지가 한계점과 문제점을 갖고있으나, 이는 인류가 기대할 만한 차세대 신재생 에너지이다. 국내에서는 이에 대한 꾸준한 개발과 눈부신 연구 성과가 나타나고 있어서 조만간 페로브스카이트 태양전지가 상용화될 것이라는 기대감이 높아지고 있다.
