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ⓒ픽사베이
여러분, ‘태양전지’ 하면 어떤 이미지가 떠오르시나요? 위 사진과 같이 야외, 혹은 지붕에 설치되는 태양전지 패널이 먼저 떠오르지 않으셨나요? 태양의 빛 에너지를 변환시켜 전기로 생산하는 이 태양전지는 제로 에너지 주택과 같은 혁신적 기술개발에서도 핵심이 되고 있습니다. 전 세계적으로 활발한 연구가 진행 중이죠. 그 결과 건물 창문에 붙이는 투명 태양전지나 유리창 호형 태양전지와 같이, 실생활에서 더 가까이 활용할 수 있는 태양전지들도 새로이 개발되었는데요. 오늘은 더 나아가, 페인트처럼 ‘바를 수 있는 태양전지’ 가 개발되었다는 소식을 전해드리려 합니다!
ⓒ픽사베이
식품첨가제로 만드는 바르는 태양전지
Level.1 용액공정이 가능한 고분자 태양전지
우선, 이 바르는 태양전지는 ‘용액공정’을 통해 만들어집니다. 용액공정 이란, 태양전지의 소재가 되는 유기물을 액체 상태로 만들고, 필요한 부분에 신문처럼 인쇄하는 방식 입니다. 이때, 효율적이고 안정적인 용액공정을 위해서는 고분자 태양전지를 사용해야 하는데요. 고분자 태양전지는 고분자를 이용해 태양의 빛에너지를 얻는 태양전지로, 실리콘 태양전지보다 제작비용이 저렴하고, 형태의 제약이 적어 더 유연한 부품을 구현할 수 있습니다. 그러나 독성이 없는 용매에는 잘 녹지 않는다는 치명적인 단점 이 있어, 그동안 ‘클로로벤젠’이라는 독성 용매를 이용하는 공정을 통할 수밖에 없었습니다. 이는 인체와 환경에 해로우므로 사실상 사용이 불가능했죠.
태양전지가 구동되고 있는 모습 , 그리고 호두 향 식품첨가제와 이를 통해 공정이 된 고분자층 ⓒ포스텍 홈페이지
Level.2 친환경 용매에 고분자 녹이기
이에 연구진들은 두 번째 미션에 착수합니다. 바로 ‘독성이 없는 친환경 용매에 고분자 녹이기’였습니다. 친환경 용매로는 호두 향 식품첨가제로 쓰이는 ‘2-메틸아니졸’ 을 사용했습니다. 그 후, 비대칭 구조를 갖는 고분자 물질을 합성하는 방법으로 유기물의 용해도*를 높였는데요. 이는 아주 탁월한 선택이었습니다. 합성된 무정형 고분자 물질은 태양전지에 적합한 배향*을 가지는 동시에, 전하이동에 방해되는 결정표면도 없었고, 열에 의한 고분자 물질의 결정화도 일어나지 않아 고온에서도 안정적인 효율을 유지 할 수 있었기 때문이죠.
*용해도란, 일정한 온도에서 일정한 양의 용매에 녹을 수 있는 용질의 최대의 양을 말합니다. *배향: 고분자로 이루어진 고체물질 속에서 미세 결정이나 고분자 사슬이 일정 방향으로 배열되는 것
ⓒ양은아 제작
Level.3 고온에서도 효율 유지하기
보통 태양전지는 온도가 25℃가 넘어가는 순간, 1℃당 0.5%씩 효율이 낮아집니다. 더욱이 바르는 태양전지는 물질을 녹이는 용액공정을 거쳐야 하는 만큼, 고온에서도 효율을 잃지 않는 것이 무엇보다 중요했습니다. 이 태양전지는고온 속120시간 동안의 실험을 거친 후에도 89%의 효율을 유지했으며, 태양전지의 효율 자체에서도 최고13.2%의 광전변환효율*을 얻었습니다. 이는 효율성과 안정성, 모두에 있어 기존에 보고된 결과보다 훨씬 뛰어난 수치라는 것에서 큰 의의를 가진답니다!]
*광전변환효율: 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로 빛을 전기로 전환하는 비율
기대효과
바르는 태양전지는 제작과정에서 쓰이는 독성 화학용매를 친환경 용매로 대체함으로써 친환경 공정의 가능성을 제시했는데요. 동시에, 높은 효율과 안정성까지 보여주며 차세대 태양전지로서의 기대감 을 톡톡히 올려주고 있습니다. 기존 태양광 패널처럼 넓은 부지나 지붕에만 제한적으로 설치되는 것이 아니며, 인쇄하듯 외벽에 넓게 바르면 되는 만큼 적용 범위의 확대도 기대됩니다. 도심 건물에 활용도 훨씬 쉬워지겠죠? 더 나아가, 언젠가는 태양전지 페인트가 벗겨져도 그저 덧바르는 쉬운 방법으로 태양전지를 유지·보수할 수 있지 않을까요?
현재 전 세계에 신재생에너지의 바람이 불며 태양전지에 관한 관심도 뜨겁습니다. 2019년 국내 신재생에너지 설비 중 가장 큰 비율(67%)을 태양광이 차지할 정도죠. 이 흐름에 발맞춰 ‘바르는 태양전지’와 같은 차세대 태양전지가 탄생만큼 차세대 친환경 설비를 실생활에서 볼 수 있길 바랍니다!
기사출처 - https://blog.kepco.co.kr/1952
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