차세대 태양 전지일 수도 있는 페로브스카이트(Perovskite)태양전지

안녕하세요?

 

점점 지구 혼난화 같은 환경 오염이 심해지면서, 친환경 에너지에 대한 수요가 많아지고 있습니다. 그러면서 요구되는 것이 바로 '태양에너지'입니다. 그러나 이 태양에너지를 이용하기 위해서는 '흐린날'만이 문제가 되는 것이 아니라 태양광 패널의 비싼 가격도 만만치 않은 문제입니다.

 

이 가격이 왜 비싼가 했더니, 그 이유가 '재료'가 희귀해서 라기 보다는 '제조공정'이 상당히 까다롭기 때문에 벌어지는 일이라는 것을 알 수 있었습니다. 우선 태양광 태널의 주 재료는 '반도체'를 만드는 실리콘인데, 이 실리콘이 '고순도'로 필요하며, 실리콘의 녹는 점이 '1687℃'라는 엄청난 고온이기 때문에, 만만치 않은 많은 에너지-여기서는 연료가 필요합니다.

 

 

 

거기다가 이 과정은 '진공'에서 이루어 져야 하며, 그냥 저렇게 순수 실리콘을 녹이는 것도 어려운데, 여기서 진공상태를 유지해서 불순물이 안 들어가게 하는 것도 꽤나 난이도가 높은 작업이 아닐 수 없습니다. 결국 기존의 태양광 발전 패널을 만들기 위해서는 '막대한 돈이 드는' 시설을 만들 수 밖에 없다는 것 입니다.

 

이 과정이 왜 중요하며, 왜 비싼가 하니, 위 그림의 묘사처럼 '실리콘 태양 전지'의 경우에는 먼저 1687℃로 녹인 액체 상태의 실리콘에, 먼저 'P형 반도체'를 만들기 위한 미량의 다른 물질을 넣고 서서히 식힙니다.

 

그리고 이렇게 굳어져서 생긴 P형 반도체 상부에 필요한 다른 미량의 원소를 넣고 액체상태의 고순도 실리콘을 부어서 'N형 반도체'를 만드는 공정을 거치게 됩니다. 다시말하자면, 이 모든 과정은 '진공'에서 이루어 지며, 당연하다면 당연하게도 '먼지'하나 들어가면 안됩니다. 이런 이유로 기존의 태양광 발전에 필요한 패널 생산 비용이 많이 드는 것 입니다.

 

 

 

그럼 이 포스팅의 제목이기도 한 '페로브스카이트 태양전지'는 제조원가가 상당히 싼 가격-절반이하가 되는 이유가 궁금하실 것인데, 먼저 '페로브스카이트'란 무엇인지 한번은 알아볼 필요가 있다는 생각이 듭니다. 먼저 단어 자체의 의미만 살펴보면, 금속등의 원자가 규칙적으로 늘어선 '결정구조'를 지닌 물질 가운데, 어떤 특정한 배열 구조를 지닌 물질을 통칭하는 것 입니다.

 

먼저 위 그림을 바주시기 바랍니다. 일반적으로 태양광 발전에 사용되는 '유기무기 페르브스카이트(perovskite)'의 구조 입니다. 일단 가운데에 납 원소가 들어가 있으며, 다이아몬드 모양으로 '요오드'원소가 구조를 이루고 있습니다. 그리고 마지막으로 최외곽을 유기물이 둘어싸고 있습니다.

 

그럼 여기서 왜 페르브스카이트 태양광 전지는 생산 단가가 낮은가 하면, 앞서 말한 실리콘 태양 전지처럼 '고온에 진공'이 아닌 작업환경에서도 제조가 가능하기 때문입니다. 그냥 재료가 되는 각각의 물질을 녹인 용액을 마치 인쇄나 코팅을 하듯이 도포하면 끝나는 제조 공정만 있기 때문입니다.

 

 

일반적으로 기존의 태양광 패널인 실리콘 패널의 경우에는 일단 n형 반도체와 P형 반도체의 접합부에 태양빛이 닿으면, 접합부에서 'n형 반도체 쪽으로' 전자가 이동하고 이러한 전자의 이동이 '전류를 발생'시켜서 전기를 생산하게 되는 것 입니다.

 

페로브스카이트 태양 전지의 경우는 위 그림의 묘사와 같이 'n형 이니 p형이니' 하는 반도체가 없고, 대신 페로브스카이트 층에 태양빛이 닿으면 여기서 전자가 발생하게 됩니다. 당연 이 페르브스카이트층만 있으면 곧바로 전자는 다시 돌아오지만, 전자 수송층이라는 산화 타이타늄, 혹은 티타늄층이 있으면 전자는 전극을 따라 흘러서 '전류'를 발생시키게 됩니다. 그럼 반대편에 있는 '양공 수송층'의 경우에는 전자와 반대가 되는 '양공'이라는 +를 띈 양자와 같은 것을 수송해서 한번 페르보스카이트 층에서 발생된 전자에 다시 양공이 붙는 것을 방지 합니다.