수분 안정성 페로브스카이트 태양전지 기술 확보
유무기 하이브리드 물질, 페로브스카이트
실리콘 태양전지 대체할 차세대 기술
요즘은 태양전지를 모르는 사람이 없을 것이다. 도심이건, 농촌이건 조금만 눈을 돌리면, 태양을 향해있는 태양전지판을 쉽게 발견할 수 있다. 모두 실리콘 소재로 만든 태양전지다. 풍경을 해치기도 하고, 폐기물 문제 등 후속 문제들이 지적되는 가운데, 페로브스카이트 태양전지에 대한 기대가 더 커지고 있다. 차세대 태양전지 물질로 주목받는 페로브스카이트는 우리나라가 세계적으로 기술을 압도하고 있다. 관건은 기술개발을 넘어 상용화다.
소재부터 소자까지 차세대 태양전지 기술 디자인
페로브스카이트 세계 최고 기술을 선도하고 있는 기관이 우리나라 한국화학연구원이다. 최근 10년간 페로브스카이트 효율 경신기록을 보면 과반수를 한국화학연구원과 국내 대학연구그룹이 차지하고 있다. 송슬기 교수는 한국화학연구원에서 페로브스카이트 태양전지 연구에 참여했고, 특히 계면 특성 연구에 전문성을 쌓았다. 2021년에는 충남대 응용화학공학과에 부임해 페로브스카이트 태양전지 관련 자신만의 연구입지를 만들어 연구를 지속해나가고 있다. “페로브스카이트는 무기물과 유기물이 혼합하여 존재하는 하이브리드 물질로 최근 뛰어난 광흡수 특성으로 주목받고 있습니다. 고효율, 고안정성 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 유기물, 무기물을 막론하고 여러 물질의 특성을 이해하여야 하고, 박막, 소자의 특성을 이해해야 하기에 폭넓게 하이브리드 에너지 소재 및 소자에 대한 이해를 목표로 하고 있으며, 물질을 개발하는 소재부터 소재 박막 연구, 그리고 소자 계면연구, 소자 효율성 및 안정성 연구까지 전 과정을 디자인하는 것이 저희 연구그룹의 컨셉입니다” 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 페로브스카이트 연구가 주목받는 이유는 고온의 공정 등이 필요한 기존의 실리콘 태양전지와 달리 값싼 재료로 간단한 용액 공정만을 이용해 실리콘 태양전지에 상응하는 효율을 얻을 수 있기 때문이다. 이것만으로도 매력적인데, 소재 자체의 유연함이 있어 유연 소자 등 다양한 형태의 태양전지 출현도 예상된다. 하지만 단점도 존재하는데, 소자 제작시에 열이나 수분에 대한 안정성을 확보해야 한다는 숙제가 있다. 즉, 현재의 기술 수준에서는 내구성이 실리콘 태양전지보다 떨어진다는 것이 가장 큰 장애물이다. 송슬기 교수는 그동안 전문성을 쌓아 장점으로 인정받는 소자를 최적화하는 기술력으로 이런 단점들을 극복해 상용화로 가는 지름길을 제시하겠다는 계획이다.
한국공업화학회 제13회 미원상사 신진과학자상 수상
소재의 공정 최적화와 소자 계면연구를 통해 소자 효율 및 안정성을 최적화하는데 전문성이 있는 송슬기 교수는 최근 페로브스카이트 태양전지의 수분에 대한 약점을 극복할 수 있는 핵심 정공전달물질 개발 연구성과를 국외 저명 학술지인 ACS(Sustainable Chemistry & Engineering)에 보고하며 많은 주목을 받았다. “은사님이신 포항공대 박태호 교수님과 함께 소자 안정성에 대한 고민을 하던 중 수분에 강한 저항성을 갖는 정공전달 물질을 디자인했고, 박태호 교수님께서 이 물질을 합성해주셨습니다. 저는 이것을 활용해 소자의 수분 저항성을 극대화할 최적화된 소자를 만들었고, 결과적으로 천 시간 이상의 수분 안정성을 확보할 수 있었습니다. 전략적으로 정공전달 물질에 수분 저항성을 가지는 작용기를 도입하여 물질을 디자인함으로써, 정공전달 물질의 새로운 연구컨셉을 제시했다고 생각합니다”
송슬기 교수는 지난 11월 한국공업화학회 제13회 미원상사 신진과학자상을 받으며 그간 페로브스카이트 연구 활동의 성과를 인정받았다. “공학자들에게 의미 있는 한국공업화학회에서 신진연구자상을 영광스럽게도 받게 됐습니다. 교수가 돼서 처음 받은 상이라 더 의미가 큰 것 같습니다. 앞으로 공학적인 연구성과도 내고 산업계에 이바지하라는 의미로 알고 더 열심히 정진하겠습니다”
‘태양전지 반도체 소자 최적화’ 전문가로 인정받고 싶습니다
페로브스카이트 태양전지 연구로 주목받는 신진연구자기에 앞으로 산적해 있는 연구과제가 많다며, 송슬기 교수는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해 자신이 할 수 있는 역할에 매진하고 싶다고 밝혔다. “제 기술이 페로브스카이트 태양전지 상용화에 이바지하길 바라며, 10년 뒤에는 태양전지 반도체 소자 최적화 관련해서는 많은 사람이 찾는 전문가로 인정받고 싶습니다” 송 교수는 자신의 전문영역은 견고하게 잘 쌓아가 돼, 자신의 기술이 도움이 된다면, 다양한 분야에 참여하고 싶다는 바람도 전했다. “태양전지는 가장 복잡한 구조의 반도체 소자 중 하나라고 할 수 있습니다. 태양전지 소재 및 소자 분야 저의 노하우를 센서, 배터리 등 다른 영역까지 확장하여 연구 스펙트럼을 넓혀갈 계획이 있습니다”
학교에 부임한 지 1년 만에 연구그룹을 세우고, 연구성과를 낼 수 있었던 원동력으로 주변의 도움과 초창기 연구그룹원을 꼽으며, 그는 “대부분의 평범한 사람은 노력으로 자신이 원하는 바를 이룬다고 생각합니다. 저도 평범한 사람이기에 열심히 노력했고, 많은 사람의 도움을 받기도 했습니다. 인적 네트워크가 있으면 내가 아무리 노력해도 60%밖에 안 되는 성과를 120%로 만들 수 있습니다. 학생들에게도 많이 경험하고 즐기라고 이야기합니다”라고 덧붙였다.
페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 세계적인 기술경쟁이 벌어지고 있는 가운데, 한국은 아직 우위를 점하고 있지만, 자금력을 앞세운 선진국들에 언제 따라잡힐지 모르는 위태로운 상황이다. 손끝 하나 차이에서 판결 나는 치열한 기술경쟁 속에서, 기술개발과 인력양성으로 대한민국 페로브스카이트 태양전지 기술 상용화에 힘을 보태는 송슬기 교수의 활약을 기대해본다.
[이슈메이커=임성희 기자]
