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[신기술] 습한 환경’에 강한 태양전지 기술로 전기 생산의 제약조건을 극복하다!

2019-01-01

‘습한 환경’에 강한 태양전지 기술로 전기 생산의 제약조건을 극복하다! 최근 태양광발전은 건물 옥상이나 산지와 같은 육지를 넘어 수상에도 건설되고 있다. 하지만 차세대 태양전지의 강력한 후보 물질로 꼽히는 ‘페로브스카이트’는 물에 취약해 수상 태양광발전소에는 이용되지 못하는 실정이다. 또한 염전지대는 일사량이 풍부한 입지 조건을 지니고 있지만, 염수로 인해 전기안전 문제가 발생할 수 있다. 이런 가운데 국내 연구진들이 ‘습한 환경’이라는 장애물을 뛰어넘는 태양전지를 속속 개발하면서 태양광발전의 사업영역 확장에 대한 기대감을 높이고 있다. 정리 김경한 기자│자료 UNIST, 전력연구원 페로브스카이트는 물질 표면 구조상 물과 잘 반응하기 때문에 습기만 있어도 쉽게 특성을 잃어버린다. 이를 해결하기 위해 UNIST 자연과학부 화학과의 김광수 특훈교수(국가과학자)가 이끄는 연구팀이 페로브스카이트 표면에 일종의 ‘방수막’을 만드는 합성법을 개발했다. 한편, 한전 전력연구원은 인체에 무해하면서 수압을 잘 견디는 염전 공존형 수중 태양광발전 시스템을 개발했으며 시범 운영에도 성공했다. 내수성 페로브스카이트 합성법, 6개월 지나도 에너지전환 특성 유지 페로브스카이트는 육방면체 구조의 결정성 물질로 고체 상태의 조명, 광 검출기, 레이저 등의 산업분야에 응용되고 있다. 특히 태양전지로 활용하려는 연구가 활발하게 진행되면서 광전변환효율이 크게 개선돼 차세대 태양전지 물질로 주목받고 있다. 그러나 이 물질은 수분에 취약하기 때문에 물이 존재할 경우에는 광전변화효율이 급격히 감소해 안정성 떨어진다. 따라서 태양전지뿐 아니라 광전자공학, 생의학 및 촉매 분야 등 다양한 분야에서 페로브스카이트를 사용하려면 물이 있는 환경에서도 안정한 성질을 유지하는 게 중요하다. 이런 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트 물질이 물에 반응하지 않도록 하는 다양한 방법이 시도됐다. 하지만 완벽하게 내수성을 가지는 페로브스카이트 물질은 아직 발표되지 않았다. [그림 1] 내수성 페로브스카이트 합성법 작은 유리병에 할로겐화 납(PbX₂)을 할로겐화 수소(HX)를 녹인 산성 용액에 넣고, 큰 유리병에 염기성 용액(메틸아민)을 둔다. 10일 정도 지나면 메틸아민 증기가 할로겐화 납과 할로겐화 수소와 반응하면서 내수성 페로브스카이트 물질이 합성된다. 이런 가운데, UNIST 자연과학부 화학과의 김광수 교수팀은 물에 약한 페로브스카이트의 특성을 극복한 내수성 페로브스카이트를 개발했다. 김광수 교수는 “페로브스카이트는 값싸며 쉽고 신속하게 합성할 수 있는 물질이라 소재로서 각광받고 있다”며 “물에 취약하다는 최대 단점을 완벽하게 잡은 만큼 태양전지, 발광다이오드(LED), 강유전체소재 등에 산업적으로 적용할 날도 빨라질 것”이라고 설명했다. 이번 연구를 주도한 김광수 교수와 아타누 자나(Atanu Jana) 박사는 ‘염기성 증기 확산법’을 이용해 페로브스카이트 표면에 ‘수산화납(Pb(OH)₂) 보호막’을 형성하는 새로운 합성법을 고안해 냈다. 페로브스카이트 물질을 합성하는 방식을 새롭게 제안해 자연스럽게 보호막이 생기게 만드는 방식이라, 외부에서 다른 물질을 가져오지 않아도 된다. 우선 작은 유리병과 큰 유리병을 준비한다. 작은 유리병에는 산성 용액에 녹아 있는 페로브스카이트 재료(할로겐 산-금속 할라이드 전구체 염)를 놓고, 큰 유리병에는 염기성 용액(메틸아민)을 담는다. 그런 다음 작은 유리병의 뚜껑을 연 채 큰 유리병 속에 넣고, 큰 유리병의 뚜껑만 닫는다. 이렇게 되면 메틸아민이 증발하면서 작은 유리병 속으로 들어가는데, 이때 페로브스카이트 물질이 합성되면서 내부에 자연스럽게 수산화납 보호막이 형성된다. 아타누 자나 박사는 “두 개의 유리병에 각각의 재료를 담아두고 10일 정도 두면 자연스럽게 수산화납 보호막을 가진 페로브스카이트가 합성된다”며 “수산화납은 안정적인 구조이므로 수분을 만나도 반응하지 않고, 물질 내부로 물이 침투하지 않게 막는다”고 설명했다. 수산화납 보호막을 가진 페로브스카이트는 습기에 강할 뿐만 아니라 수명도 긴 것으로 확인됐다. 연구진이 이 페로브스카이트를 물 속에 담가두고 특성을 관찰한 결과, 자외선을 받아 발광하는 페로브스카이트 본연의 특성은 6개월이 지나도 변하지 않았다. [그림 2] 일반 페로브스카이트와 내수성 페로브스카이트 비교 왼쪽 그림은 일반적인 페로브스카이트 물질로 표면에 수산화기(OH-)가 있어서 수분을 만나면 쉽게 반응하게 된다. 반면, 이번 연구에서 개발한 합성법으로 만든 내수성 페로브스카이트 물질(가운데)은 안정적인 구조를 가진 수산화납으로 둘러싸여 수분에 반응하지 않고, 내부로 수분을 침투시키지도 않는다. 그 결과 오른쪽 그림처럼 자외선을 받아 발광하는 특징(에너지전환 특성)을 유지한다. 자나 박사는 “새로 개발한 내수성 페로브스카이트는 거의 완벽히 물을 막기 때문에 물의 산도(pH)와 상관없이 안정적인 특성을 보인다”며 “합성법 또한 간단하므로 대규모 합성이 가능하다는 장점도 있다”고 강조했다. 김광수 교수는 “그동안 철저히 배제됐던 ‘습한 환경’이라는 조건에서도 페로브스카이트를 사용할 가능성을 연 연구”라며 “페로브스카이트가 새로운 분야에 사용되는 시발점이 될 것으로 기대된다”고 강조했다. 이번 연구는 미국화학회(ACS)에서 발행하는 에너지 분야의 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터(ACS Energy Letter)’ 지난해 8월 13일자에 게재된 후, 2주 만에 ‘8월 중 가장 많이 읽은 논문’에 선정됐다. 페로브스카이트의 수분 취약성을 해결했다는 점에서 많은 연구자들이 주목한 것으로 풀이된다. 세계 최초의 12kW 염전용 수중 태양광발전 모듈 복사열로 전기 및 소금을 동시에 생산 태양광 발전과 염전의 설치 조건은 일사량이 많고 그림자가 없으며 바람이 잘 부는 곳으로 동일하다. 염전지대는 물이 많은 환경만 제외한다면, 태양광 설치에 적합한 최적의 장소인 셈이다. 염전 위로 기둥을 세우고 모듈을 올리는 방법도 있지만, 태양광모듈을 염전 바닥에 깔아서 그 열로 소금도 함께 생산할 수 있다면 일석이조의 효과를 누릴 수 있다. 한전 전력연구원이 녹색에너지연구원, SM소프트웨어와 공동으로 ‘염전 공존형 수중 태양광발전 시스템’을 개발함으로써 일석이조의 꿈을 실현했다. 이 시스템은 염전 바닥에 설치된 태양광모듈 위에서 바닷물을 증발시켜 전력과 소금을 동시에 생산할 수 있다. [그림 3] 염전용 수중 태양광발전 시스템 시범설치 모습 전력연구원은 염전 내부에 태양광 설치를 위해 인체에 무해하며 수압에 잘 견디는 태양광 모듈을 설계하고, 태양광-염전 통합운영시스템을 개발해 12kW급 시범시스템에 적용했다. 시범시스템 구축 전에는 염전용 수중태양광 실내실험과 야외 현장 실험을 수행해 모듈 특성 및 구조물 설치방법을 고려하는 등 정확한 데이터값 확보에 전념했다. 지난해 11월 30일까지의 설치 현황을 살펴보면, 태양광 발전시스템 상부에 항상 염수가 접촉해 있음에도 전기안전 문제에 따른 운영 결함이 없었다. 또한, 설치각도 30°인 일반 지상 태양광과 비교해 보면, 여름철에는 염수에 의한 냉각효과로 105%의 발전량이 개선됐고, 태양광모듈에서 발생하는 복사열로 염수의 증발시간을 단축시켜 소금생산량이 증대됐다. 국내 염전의 약 85%와 태양광발전의 35%가 전남에 밀집해 있어, 대전시 유성구에 위치한 전력연구원이 연구개발을 진행하는 데 용이한 점이 많아, 시범 운영에도 속도가 붙을 예정이다. 이번 연구결과를 바탕으로, 전력연구원은 올해 안으로 염전용 수중태양광 발전시스템의 보급 및 사업화를 위해 100kW Test-bed 발전시스템을 실제염전에 구축할 계획이다. 국내 염전의 증발지에 해당기술을 적용할 경우, 최대 4GW의 발전부지 확보가 가능하고 국내와 유사한 천일염 방식으로 소금을 생산하는 중국, 인도, 프랑스, 이탈리아 등에 해외 기술이전이 가능할 것으로 기대된다. 배성환 원장은 “염전용 태양광 발전 기술은 추가적인 발전 부지의 확보 없이 염전기능을 유지하며 태양광발전시스템이 적용 가능하다”며, “현 정부에서 추진하는 재생에너지3020 이행계획의 태양광발전 확대 및 보급에 상당부분 기여할 것”이라고 밝혔다. < Energy News >