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국내 연구진 고열에서도 발전효율 유지되는 융합 태양전지 개발KIST 광전소재연구단, 기존 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계 극복

[솔라투데이 최홍식 기자] 태양전지는 태양광을 에너지원으로 전기를 생산한다. 햇빛을 이용하기에 친환경 에너지원으로 많이 활용되고 있다. 하지만 태양광전지는 집광 과정에서 많은 열이 발생하는데 이로 인해 태양전지 효율이 급격히 떨어지게 된다. 이러한 문제는 현재 태양광발전의 효율을 저해하는 큰 장벽이 되고 있다. 이런 가운데 최근 국내 연구진이 높은 열에서도 발전효율이 유지되는 태양전지 기술을 개발했다. 

광전·열전 융합 전지의 모식도 [그림=KIST 광전소재연구단]

이번 신기술은 한국과학기술연구원(이하 KIST) 광전소재연구단 최원준 박사와 김상현 박사, 전자재료연구단의 백승협 박사가 공동 개발했다. KIST 광전소재연구단은 다양한 광전소재·소자 분야의 연구를 수행하고 있으며, 특히 미래 신산업 유망분야인 유연전자(Softronics)의 핵심 소재 관련 연구를 진행하고 있다. 

또한, 기존 반도체소자 플랫폼의 한계를 극복하기 위해 Ⅲ-Ⅴ화합물소자를 기존의 플랫폼에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 이를 위해 Epitaxial Growth, Wafer Bonding 등의 기술로 화합물 반도체 소자를 실리콘 등의 다른 기판 상에서 구현해 기존의 반도체 소자들의 성능 한계를 극복할 수 있는 플랫폼 원천기술 확보를 목표로 하고 있다. 

한편, 전자재료연구단은 미래 정보·에너지 분야의 핵심 전자기술 구현에 필요한 박막형 전자재료와 소자의 설계, 공정 및 분석을 위한 원천기술의 개발과 보급을 주요 임무로 하고 있다. 유형별로 정전형(Capacitive) 재료, 전기 저항형·전도형(Resistive/Conductive)재료, 광융합형 재료를 대상으로 나노 또는 그 이하의 영역에서 원자구조 및 결함의 제어를 통해 전자재료의 기능 고도화 또는 신기능 창출을 위한 재료원천기술, 이의 성공적 적용을 위한 소자원천기술 개발, 재료설계 및 재료 내 물리현상의 이해를 위한 계산과학 연구 등을 수행하고 있다.

집광비에 따른 융합전지와 단일 태양전지의 효율변화(그림=KIST 광전소재연구단]

기존의 집광형 태양전지가 해결하지 못했던 고열의 발전효율 하락 문제 극복
갈륨아세나이드(이하 GaAs) 기반 집광형 태양전지는 현재 가장 효율이 높은 태양전지 기술로 알려져 있다. 이 태양전지는 태양광을 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 높으며, 렌즈나 거울 등을 사용하게 되면 광변환 효율은 더욱 높아진다. 그러나 집광정도가 높아질수록 많은 열이 발생하게 되는데, 이는 태양전지의 효율을 급격하게 저하시킨다. 이러한 현상은 집광형 태양전지의 효율 증가를 가로막는 가장 큰 장벽이다. 

KIST 광전소재연구단 최원준 박사는 GaAs 화합물 반도체를 이용한 고효율 집광형 태양전지기술을 연구해 왔으며, KIST 전자재료연구단 백승협 박사는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) 열전반도체를 이용해 버리게 되는 열을 이용한 발전 소자 연구를 수행해 왔다. 이번에 성과를 거둔 연구진은 울산과학기술원(UNIST)의 이기석 교수와 백정민 교수 연구팀의 이론적인 지원을 받아 두 가지 상이한 분야의 융합연구를 통해 성과를 이뤄냈다. 기존의 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계를 극복한 고효율 융합전지를 개발한 것이다. 

이번 연구팀은 비스무스 텔루라이드 열전반도체가 열을 전기로, 전기를 열로 바꾸는 열전현상(Thermoelectricity)이 매우 탁월한 것에 주목했다. 이 열전 반도체는 냉매를 이용하지 않는 전자냉각 시스템이나 자동차 등 버리는 열을 이용한 전기 생산 시스템에 응용 가능한 기술이다. 현재 실생활에서는 와인 냉장고, 자동차 시트 쿨러, 순간냉각정수기 등에 이 기술이 사용되고 있고, 폐열을 이용한 발전시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

연구진은 기존의 집광형 태양전지가 발생하는 열 때문에 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해서, 열을 전기를 바꿀 수 있는 열전 소자를 집광형 태양전지와 융합하는 기술을 개발했다. 집광형 태양전지에서 발생하는 열을 이용해 열전모듈이 전기 에너지를 추가적으로 생산하므로 융합전지의 효율은 단일 태양전지 효율에 비해 크게 향상될 수 있으며, 기존 집광형 태양전지의 집광한계를 극복할 수 있다. 

특히 이번 연구에서는 필드의 상황과 유사한 공기 냉각 상태에서 집광할 때 효율을 높일 수 있음을 보여줬다는 데 큰 의미가 있다.

다음은 최원준 박사와의 일문일답이다.

집광형 태양전지의 한계를 극복하는 기술을 개발한 KIST 최원준 박사(가운데)와 백승협 박사(왼쪽), 김상현 박사(오른쪽) [사진=KIST 광전소재연구단]

이번에 개발된 기술이 산업현장에서 얼마나 활용 될 것으로 예상되는가? 
기존의 집광형 태양전지는 고효율의 태양전지를 작은 면적에서 사용할 수 있다는 장점을 갖고 있었으나 태양전지의 온도 상승을 막기 위해 부가적으로 하부 냉각을 진행해야 하는 문제점이 있었다. 

하지만 연구진은 이번 성과를 통해 열전소자의 접목으로 하부 냉각 효과와 부가적 전력 생산을 가능하게 해 부가적인 하부 냉각 진행 문제를 해결했다고 볼 수 있다. 나아가 집광형 태양전지의 활용도를 획기적으로 높이는 계기가 됐다고 할 수 있다. 본 기술에 대한 저가화, 대형화가 수반된다면 실제 필드에서 사용될 가능성이 매우 크다.

신기술 개발에 대한 연구진의 기대는 어느 정도인가?
KIST 연구진들은 이번 연구를 수행함에 있어 열에 의한 집광형 태양전지의 효율 저하 문제를 열전 소자를 이용해 해결할 수 있는 기술을 개발했다. 열전 소자는 제벡효과를 이용해 열에너지를 전기에너지로 바꿀 수 있다. 제벡효과는 서로 다른 두 금속선 양쪽 끝을 접합하여 폐회로를 구성하고 한 접점에 열을 가하게 되면 두 접점에 온도차로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다. 열전소자를 집광형 태양전지와 적절하게 결합하면, 태양전지에서 발생하는 열을 이용해 열전 소자가 태양전지의 성능저하를 극복하고도 남을 만큼 큰 전기에너지를 생산할 수 있다. 따라서, 융합전지를 이용해 기존의 단일 집광형 태양전지가 갖고 있던 집광 한계를 극복했다. 이 때문에 높은 집광상태에서도 높은 효율을 유지할 수 있게 됐다. 이번 연구를 통해 개발된 집광형 태양전지·열전 융합전지는 태양전지 효율 향상을 위한 새로운 돌파구를 마련했으며, 미래 클린 에너지 산업에 중요한 위치를 차지하게 될 것으로 기대하고 있다.

최근 국내 태양전지 시장의 이슈나 동향에 대해 의견을 준다면?
태양전지와 열전 소자를 융합하려는 시도는 이미 2010년도부터 제안돼 왔다. 하지만 집광하지 않을 경우 큰 장점을 나타내지 않았고, 실제 실혐 결과를 보고한 논문 등에서는 열전소자의 하부를 매우 낮은 온도로 냉각하는 등 냉각 조건이 현실과는 동떨어져 있어 실용화 가능성을 보여주지 못했다. 

하지만 이번에 연구진이 성과를 이룬 이번 연구 결과를 통해 III-V족 화합물 반도체의 집광시에는 융합전지가 단일 전지보다 효율적일 수 있다는 것이 증명됐다. 연구 개발에 대한 실험 결과가 명확한 만큼 관련 분야의 산업 활성화가 기대되며, 기술의 확산 사용이 활발하게 이뤄질 것으로 전망된다.

태양광 산업이 발달하고 있는 가운데 태양전지 기술에 대한 향후 전망을 한다면?
수많은 대체에너지 후보 중, 태양전지는 가장 오래 검토된 기술이다. 그럼에도 불구하고 최근까지도 많은 기술 발전이 이뤄졌고 연구개발 성과가 생겨났다. 특히 화합물 반도체 실용화의 가장 큰 단점으로 꼽혔던 높은 원가 문제가 에피텍셜 리프트 오프 (Epitaxial lift-off) 공정 등을 이용해 모재 기판을 재활용함으로써 상당 부분 원가절감이 가능해졌다. 
또한 집광시의 온도 상승 문제를 이번 연구와 같은 새로운 아이디어를 통해 해결할 수 있을 것으로 전망되며 관련 분야의 향후 연구를 통해 실용화의 가능성도 열릴 것으로 보인다. 특히 세계적으로 화석연료 고갈의 위기감과 동시에 전력 공급의 상당 부분을 차지하는 원자력 발전의 안전성 문제가 대두되는 만큼 태양전지와 같은 대체에너지의 실용화에 대한 사회적 요구가 크기에 관련 분야의 전망은 밝다고 생각한다.

[최홍식 기자 (st@infothe.com)]

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