미래를 밝히는 에너지

들어가는 말

현대 문명을 장기적으로 지속시키거나 발전시키 위해서는 에너지의 원활한 수급이 필수적이다. 새로운 인공지능, 의료기술, 양자 기술들이 미래의 전망을 밝게 하지만 모든 것을 손쉽게 조달할 수 있는 에너지원이 없으면 유의미한 에너지 사용은 불가능하다. 18세기부터 시작된 혁명적인 과학 기술 문명의 저장과 활용이 쉽게 해주도록 한 화석연료의 존재가 서서히 제한된 자원인 것임을 인지하게 된 이후 재생에너지의 역할은 더욱 중요해졌다. 그중에서 가장 강력하다고도 볼 수 있는 태양광 에너지는 계속하여 주목받고 있다. 한 시간 동안 지구가 태양으로부터 받는 빛에너지를 계산해보면 그 값이 현재 인류가 1년 동안 사용하는 에너지양을 충족시키고도 남는다고 한다. 그렇기에 태양으로부터 오는 빛에너지를 잘만 얻어내어 최대한 효율적으로 사용할 수만 있다면 인류는 거의 영구적으로 에너지 고갈의 걱정없이 살 수 있다. 우리가 태양광 발전을 가장 중요하게 여기고 이에 대한 연구를 발전시키고자 하는 이유가 그것이다.

태양광 에너지 활용의 이론

[그림1] 들뜬자

태양으로부터 온 빛이 분자 혹은 물체에 흡수되어 전기적인 에너지의 형태인 들뜬자가 된다. 양공은 전자가 빠져나가서 양성 전하를 가지는 빈 상태를 말하는데 제위치에서 빠져나간 전자와 양공이 전기적인 인력을 가져 인접하게 있는 쌍을 들뜬자라고 한다. [그림1]을 보면 더 직관적으로 이해할 수 있다. 들뜬자는 물질에 따라서 매우 구분되는 성격을 가진다. 이 들뜬자는 주변 환경에 민감하게 반웅하는 양자 입자이기에 많은 노력을 필요로 하여 까다로운 것이다. 들뜬자는 더 낮은 에너지의 빛을 방출하면서 소멸하기에 소멸하기 전에 안정되고 지속 가능한 형태로 전환해야 한다. 한 가지 방법은 들뜬자를 전달하기 쉬운 형태의 전자와 양공으로 완전히 분리하여 다시 결합하지 않도록 양극과 음극으로 이동시켜 전기에너지로 사용하는 것이다. 이를 태양전지라고 하며 지금 널리 상용화되고 있는 것들이 해당된다. 다른 방법은 들뜬자를 화학적 산화환원 반응에 바로 이용하여, 장기적으로 사용하는 연료를 형성하는 것으로 인공 광합성 혹은 태양광-연료계라고 불린다.

태양광 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 있어서 고려해야 하는 세 가지 중요한 요소

첫째, 지구 표면에 도착하는 태양광을 최대한 흡수하여 들뜬자로 만들 수 있어야 한다. 태양광의 파장 분포와 가장 일치하는 에너지에서 들뜬자를 형성할 수 있는 물질을 선택하거나 최대한 이를 만족하도록 하는 방법을 이용해야 한다.

둘째, 형성된 들뜬자를 오랫동안 안정된 상태로 유지하면서 전자와 양공으로 가능한 많이 분리할 수 있어야 한다. 들뜬자를 유지하는 것과 분리하는 역할은 서로 차별되는 물성을 요구하기 때문에 종합적으로 두 기능을 모두 수행할 수 있도록 서로 다른 두 가지 이상의 물질을 접합시켜야 한다. 주의해야 할 점은 접합 지점은 전자와 양공으로 분리를 가능한 완벽하고 비가역적으로 만들어야 한다.

셋째, 분리된 전자와 양공은 빠른 속도로 그리고 손실 없이 양극과 음극으로 이동되거나 화학 반응에 쓰여야 한다. 독립적이고 유동적인 전자와 양공의 전달을 보장해줄 수 있는 배열을 가진 물질의 구조가 요구된다.

인류의 에너지 문제를 해결하기 위해서는 이 세 가지 조건을 모두 충족하면서, 경제적 경쟁력을 가지고 대량 생산이 가능하며 지속적인 사용이 가능해야 한다.

DSSC(dye-sensitized solar cell)

[그림2] 미국 NREL에 보고된 2023 봄까지 태양광 전지 발전 현황

그림의 미국 국제재생에너지 연구소에 의하면 2023년 현재 봄까지 13.0%~47.6%의 효율에 이르는 다양한 태양광 전지 및 장치들이 개발되어 있다. 고가임에도 최고의 효율을 내는 복접합 태양광 전지, 비교적 저가로 대량 생산이 가능해 이미 보편적으로 사용되는 편인 단접합 태양광 전지, 아직 연구소에서 실험 단계에 있는 신생 태양광 전지들을 모두 포함한다. 그림에 의하면 이 중 가장 효율적인 것은 복접합 태양광 전지로, 네 가지 다른 접합을 통해 47.6%까지의 효율을 낸다. 하지만 비소의 독성과 제조 가격의 부담과 같은 문제가 있어 널리 사용되고 있진 못한다. 현재 태양광 에너지 패널에 가장 널리 쓰이는 것은 실리콘 결정 고체 물질 기반의 시스템들이다. 실리콘은 독성이 없고 대량 생산이 가능하며 최고 효율은 27.6%이면서 비교적 저가라 합리적이다. 하지만, 과학 기술의 최고 한계에 도달하여 더 이상의 전진이 없다. 새로운 태양광 전지로 초기에 주목받은 것은 염료-감광 광전지(dye-sensitized solar cell, DSSC)다.

[그림3] DSSC(dye-sensitized solar cell)

이 전지는 이산화 타이타늄(TiO2) 나노결정에 빛을 흡수할 수 있는 염료 분자들을 결합시켜 염료 분자들이 빛을 형성해 들뜬자를 형성한다. DSSC에서 이산화 타이타늄(TiO2) 나노결정은 염료 분자들이 결합할 수 있는 표면적을 극대화시켜 이산화 타이타늄 주 결정에 전자를 전달시키는 방법을 사용하는데 이는 추가적인 개선의 여지가 크게 없을 정도로 효율성이 높다. 하지만 DSSC는 양공을 전달하는 용액 매체에 대한 문제점을 가지고 있다. 휘발성을 가진 용매가 누출되지 않는 상태를 장기적으로 지속시킬 수 있는 기술이 필요하다. 염료 분자로 주로 사용되는 고가의 루테늄 대신 저렴한 유기 염료 개발 연구 및 대체 매체에 대한 연구를 진행했으나 최고효율이 13% 이상의 효율을 넘기지 못해 현실적으로 상용화하기엔 어렵다.

PSC(perovskite solar cell)

[그림4] PSC(perovskite solar cell)

최근 가장 비약적인 발전을 보인 것은 금속-할라이드 페로브스카이트 시스템(PSC)이다. 페로브스카이트는 ABX3 꼴의 고체로 A에 메틸 암모늄 같은 작은 유기 이온 또는 세슘(Cs+) 같은 무기 양이온이, B에 납 이온(Pb2+) 또는 주석 이온(Sn2+), X에 Cl-, Br-, I- 같은 음이온이 사용된다. PSC에서 형성된 들뜬자는 유동성이 크고 비교적 쉽게 전자와 양공으로 분리가 된다. 이 PSC는 박막 기술을 바탕으로 한 시스템이라 차지하는 부피가 작아 효율적이면서 경제적이다.

PSC는 2009년에 약4%의 효율로 시작하여, 현재는 26%를 넘어서는 효율을 보여주고 있다. PSC가 실리콘과 이중 직렬화 되었을 시 33.7%의 효율까지도 가능하다. 비교적 간단한 제조과정과 저렴한 비용으로 만들어진 이 고효율 시스템은 이미 상업화의 단계도 고려되고 있다. 그러나 당연하게도 PSC에 문제점도 존재한다. 중금속인 납의 독성에 의한 안전성 문제가 있고 공기 중에서 수분에 의해 쉽게 불안정해지는 성질이 있다. 이 두 문제만 해결된다면 미래의 태양광 에너지 시스템으로의 역할을 잘 수행할 것이다.

나가며

태양광 에너지를 시간에 따라 달라지는 일조량과 변동적인 기후로부터 지속적이고 안정된 에너지 공급원으로 사용하기 위해선 에너지의 효율적인 저장과 이동법이 필요하다. 태양광 에너지의 특성상 저장에 어려움이 있고 에너지 손실이 크기에 더욱 더 요구된다. 지금까지 태양광 에너지를 얻어 공정하는 시스템들을 몇 알아보았다. 이외에도 태양광 에너지를 얻어내는 시스템들은 매우 광범위하다. 나노기술과 새로운 유기 분자, 무기 분자들을 조합하여 상상도 못한 새로운 시스템이 만들어질 수도 있다. 연구가 거듭되어 발전할수록 우리의 미래는 더 밝아질 것이다.

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남윤우 학생기자 | Chemistry & Biology | 지식더하기

참고자료

[1] https://horizon.kias.re.kr/

첨부한 이미지 출처

[1] Best Research-Cell Efficiency Chart | Photovoltaic Research | NREL

[2] https://horizon.kias.re.kr/

[3] Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University

[4] https://www.gamry.com/

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