페로브스카이트 태양전지의 결함 메커니즘을 세계 최초로 규명
페로브스카이트 태양전지의 결함 메커니즘을 세계 최초로 규명
  • 박지훈 기자
  • 승인 2017.07.04 10:30
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[이슈메이커=박지훈 기자]

 

 

 


 

페로브스카이트 태양전지의 결함 메커니즘을 세계 최초로 규명

 

“태양전지 연구에 있어서 한국은 이미 선도자입니다”


 

 

 


문재인 대통령은 일자리 액션플랜에서 4차 산업혁명 제1과제를 에너지 신산업으로 정했다. 에너지 신산업을 육성해 새로운 성장 동력으로 삼는 동시에 파리기후변화협약에 대응한다는 전략으로 읽힌다. 신재생에너지 분야 연구 중 태양전지는 특히 가장 활발하게 연구되고 있는 분야다. 그동안 일본을 시작으로 유럽과 미국을 중심으로 진행돼 온 태양전지 연구 분야는 이제 한국 연구자들이 세계적으로 선도하고 있다. 성균관대학교 안태규 교수는 대표적 학자 중의 한 사람이다.

 



 

페로브스카이트 태양전지의 이론 최고 효율에 도달하기 위한 노력
독일 앙겔라 메르켈(Angela Merkel) 연방총리는 2011년 후쿠시마 원전사고 이후 원자력 발전소를 줄이고 신재생에너지의 공급을 확대해 2050년까지 전체 전력의 80퍼센트를 신재생에너지로 충당한다는 방침을 세운 바 있다. 독일 핵안전부 장관출신이고 친(親)원전 성향이던 메르켈 총리가 이 같은 정책을 펼치자 현재 독일 신재생에너지 사업은 선진연구와 기술력을 바탕으로 성장을 거듭하고 있다. 특히 지난 10년간 독일은 태양전지 분야의 연구가 활발하게 이뤄졌고 정부도 연구자와 기업에 대한 막대한 지원을 제공하고 있는 것으로 알려진다.

그간 상용화된 태양전지는 폴리실리콘 소재로 제작비용이 상대적으로 많이 소요된다. 2009년 토인요코하마대학교에서 미야사카 추토무 교수가 태양전지소재로써 페로브스카이트 결정의 가능성을 확인한 연구 성과를 냈다. 이후 태양전지 연구의 중심주제는 폴리실리콘에서 저비용·고효율·고안정성을 인정받은 페로브스카이트 태양전지로 넘어갔다. <에너지혁명2030>의 저자 토니 세바는 앞으로 태양전지의 새로운 물질인 페로브스카이트가 크게 부상할 것이라고 예측하기도 했다. 현재 한국의 연구자들은 페로브스카이트 태양전지 연구를 선도하며 세계적으로 두각을 보이고 있다. 성균관대학교 에너지과학과 안태규 교수는 그중의 한 과학자이다.

안 교수는 박사학위 취득 후 미국 로렌스 버클리 국립연구소에서 연구원으로 지내며 식물과 조류의 광합성 단백질을 대상으로 연구했고, 과학자로서 발을 내디딘 이래 분광학을 중심에 두고 발광 유기분자들과 광소자들을 주로 연구했다. 특히 그는 유럽, 미국과 달리 국내에서 찾아보기 힘든 식물 광합성 연구자로도 알려져 있다. 지난 5월, 연구실의 서갑석 연구원과 함께, 삼성종합기술원, 스위스 로잔 공과 대학의 모함마드 카자 나지르딘 교수 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 결함에 대해 물리적으로 분석하고 메커니즘을 밝히는 연구 성과를 발표해 주목받고 있다. 이 연구결과에 대해서 서갑석 연구원은 “고효율 페로브스카이트 태양전지의 페로브스카이트구조에서의 깊은 위치에 존재하는 에너지 결함을 분석하고 결함의 깊이에 따른 분포, 밀도 등의 정보를 ‘깊은 준위결함 분석법’을 활용하여 얻는 데에 성공하였습니다”라고 설명했다.

이번 연구는 ‘깊은 준위결함 분석법’을 통해 페로브스카이트 태양전지에서 깊은 위치 결함(deep level defects)이 개방전압을 결정하는데 있어 중요한 역할을 한다는 것을 최초로 규명한 결과로 향후 고효율 태양전지의 메커니즘을 밝히거나 태양전지의 내구성을 높이는 연구에 도움이 될 것으로 평가받고 있다. 안태규 교수는 “현재 국내 연구자(유니스트 석상일교수 연구팀)가 발표한 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고효율이 22.1%인데, 이론 최고 효율인 30%에 미치지 못하고 있습니다. 태양전지의 효율향상을 방해하는 결함에 대해 밝힌 우리 연구 결과를 통해 이론 최고 효율을 달성하는 연구방향을 제시하길 희망합니다”라고 말했다.
 

 

 

태양전지 분야의 유망 연구자 배출

앞선 연구는 국가과학기술위원회 학연공동연구센터(Degree and research center (DRC) program)의 지원으로 수행되었다. 안태규 교수는 특히 이번 연구의 성과가 서갑석 연구원의 주도로 자신과 삼성종합기술원, 스위스 로잔공과대학 모함마드 카자 나지루딘 교수가 공동으로 연구한 결과라고 밝혔다. 안 교수는 “이번에 박사학위를 취득한 서갑석 연구원은 대기만성형 연구자입니다. 지도 교수의 연구를 단순히 보조하는 경향이 강한 연구 분위기에서 서 연구원은 연구에 대한 의지와 주도성을 보여줬습니다”라고 서 연구원의 공로를 밝혔다. 이에 서 연구원은 “제가 하고 싶은 주제를 연구할 수 있도록 교수님께서 배려해주신 덕분에 함께 좋은 성과를 낼 수 있었다고 봅니다. 안 교수님 밑에서 연구자의 책임감을 배웠으니 이를 바탕으로 신재생에너지 분야에 기여할 수 있는 과학자가 되겠습니다”라고 답례했다.

화석 연료를 이용한 에너지 생산이 지구온난화를 가속하고 미세먼지를 유발한 결과, 에너지 신산업의 성장과 발전에 대한 세계적인 요구가 증대되고 있다. 이러한 흐름 속에서 신재생에너지 관련 연구에서 한국 연구자들이 좋은 연구 성과를 보여주고 있다. 하지만, 우리 공학자들에 대한 사회적 관심은 다소 얕고 정부의 장기적인 안목도 부족하다는 세간의 지적이 많다. 안 교수는 “지금 국내 연구자들은 태양전지 분야 연구를 선도하고 있습니다. 만일 국가가 4~5년 전에 당장 경제적인 성과를 내지 못한 미래가능성이 높은 연구에 관심을 두지 않았다면 오늘의 연구성과는 어려웠을 것입니다. 앞으로 국가가 우리 서 연구원과 같이 앞날을 책임질 연구자들을 지원하여 신재생에너지의 미래를 열었으면 좋겠습니다”라고 당부했다.

이어 국가가 단기에 성과가 가시화되는 분야뿐만 아니라 주도적으로 미래를 준비하는 시각을 가지고 모험적인 연구를 지원하고 연구자에게 관심을 가져야 한다고 힘주어 말했다. “우선 문제가 무엇인지 밝히는 연구를 해야 미래에 나아갈 방향을 잡을 수 있습니다”라고 강조한 안태규 교수. 태양전지 분야의 서갑석 연구원과 같이 유망한 신진 연구자를 배출하길 기대한다. 아울러 서갑석 연구원에게도 에너지 분야 연구에 기여를 해주길 부탁한다. 


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