딱정벌레 표피 모방 색반사 필름을 이용한 컬러 태양전지 제안 대부분의 빛을 반사시켜 잿빛으로 보이는 딱정벌레 표피의 미세구조를 모방, 시커먼 태양전지에 알록달록 색을 입힌 고효율 컬러 유연 페로브스카이트 태양전지가 소개됐다. 한국연구재단은 경희대학교 최석원 교수, 울산과학기술원(UNIST) 송명훈 교수 연구팀이 딱정벌레 표피를 모방한 고효율 색반사 필름을 제작하고 이를 부착한 건물 일체형 컬러 페로브스카이트 태양전지를 제작했다고 밝혔다. 건물 외벽, 지붕, 창호 등에 적용될 수 있는 건물 일체형 태양전지는 건물의 특색과 도시의 미관 등 심미적 요인도 중요하기에 다채로운 색상의 태양전지 개발 연구가 이뤄져 왔다. 기존 컬러 태양전지는 태양광 흡수층의 흡수율을 제어해 효율이 낮아지거나 또는 복잡한 광학설계 및 공정방식으로 인해 대형화 및 비용절감에 한계가 있었다. 이에 연구팀은 딱정벌레 표피의 미세 나선구조에 의해 나타나는 빛반사 현상을 모사한 색반사 필름을 개발했다. 단일층 액정 소재의 반사율은 이론적으로 최대 50%에 불과하지만 액정의 자가조립을 이용한 나선구조를 유도, 반사율 100%의 초반사 필름을 제작한 것이다. 딱정벌레 표면에서의 높은 반사율이 두 장
헬로티 이동재 기자 | 산업통상자원부 주관하는 알키미스트 프로젝트 최종 수행기관으로 선정 UNIST 연구팀이 지난 8일 산업통상자원부 주관 알키미스트 프로젝트의 최종 수행기관으로 확정됐다. 연구팀은 신재생에너지 부분 알키미스트 프로젝트 최종 과제 수행자로 선정돼 향후 5년 간 100억원을 지원받게 된다. 연구팀은 효율 35%의 슈퍼태양전지 개발에 도전한다. 상용 실리콘 태양전지의 이론 효율 한계인 30%를 훌쩍 넘는 전지 개발에는 탠덤기술이 쓰일 예정이다. 탠덤기술은 실리콘태양전지 위에 페로브스카이트 박막 태양전지를 결합하는 기술이다. 이를 위해 실리콘 태양전지 전문가인 최경진 교수, 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 석학인 석상일 교수를 비롯한 UNIST 신소재공학과 송명훈 교수와 에너지화학공학과 양창덕 교수 연구진이 모였다. 연구팀은 초고효율 슈퍼태양전지 개발과 더불어 태양전지 상용화의 3대 조건이라 불리는 장기 안정성과 가격경쟁력 향상을 위한 연구도 동시에 수행할 예정이다. 소재 기술, 대면적화 공정, 모듈화 요소 기술, 일체형 장비 개발 연구 등이다. 연구에는 KETI, KIST, 주성엔지니어링, ENF테크놀러지와 같은 유수의 연구소, 기업들이 힘
헬로티 이동재 기자 | DGIST 에너지융합연구부 최용찬 박사팀이 차세대 태양광 소재로 각광받고 있는 안티모니 칼코아이오다이드(Antimony chalcoiodide)의 조성을 제어할 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 향후 납을 포함하지 않는 차세대 비납계 태양전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다. 최근 들어, 실리콘에 버금가는 높은 성능과 제작의 편리성을 갖는 납(Pb)을 기반으로 한 페로브스카이트 물질이 차세대 태양전지 소재로서 각광받고 있다. 하지만 납(Pb)의 유해성은 상용화에 있어 큰 걸림돌이다. 따라서 비(非)납계 태양광 소재인 안티모니 칼코아이오다이드 소재가 대표적인 대체재로 각광받고 있지만, 관련 연구는 초기 단계에 머물러 있다. DGIST 에너지융합연구부 최용찬 박사팀은 2단계로 나눠진 용액공정을 통해 안티모니 칼코아이오다이드의 조성을 제어할 수 있는 소재를 개발하는 데 성공했다. 최 박사팀은 첫 번째 단계에서 안티모니 칼코게나이드(Sb2(S,Se)3)를 제조, 2단계에서 이를 삼아이오딘화안티모니(SbI3)와 반응시켜 안티모니 칼코아이오다이드로 변환시켰다. 추가적으로 연구팀은 해당 공정을 통해 소재의 단순한 조성을 넘어서 소재의 결정
헬로티 김진희 기자 | 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV)의 상용화가 멀지 않아 보인다. 한국기계연구원(기계연)이 아름다운 색감을 가지면서 오염에도 강한 고부가가치 컬러 유리를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 금속나노입자의 플라즈모닉 효과를 이용하여 기존 색 유리 보다 내구성이 강한 빨강, 파랑, 노랑 등 모두 8가지 색상의 컬러 유리를 만들었다. 나노입자의 농도와 코팅 두께에 따라 투과율도 조절할 수 있다. 또한, 유리 표면에 친환경 소재의 발수 실리카입자를 나노구조로 코팅해 오염물을 튕겨내는 자기 세정 기능도 갖췄다. 연구팀은 자기 세정 컬러유리로 만든 3㎾급 태양전지 모듈을 건물 외벽에 설치하고 1년간 시험평가를 실시했다. 운영 결과 기존 태양광 모듈 에너지 효율의 80% 수준에 달하는 안정적인 효율을 확인했다. 현재 상용화된 태양전지에 근접한 효율은 물론 심미성과 자기 세정력을 바탕으로 한 내구성까지 확보한 것이다. 기존의 검푸른 단일 색상 대신 건물의 벽면이나 지붕 위에 아름답게 어울리는 태양광 패널을 만들 수 있어 도심의 미관을 살리면서도 태양광 발전을 확대할 수 있을 것으로 기대된다. 나노입자 합성의 원천 기술 뿐만 아니라 이를 1
헬로티 이동재 기자 | UNIST 에너지화학공학과 석상일 특훈 교수팀이 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율을 갖는 전지를 개발했다. 이번 연구로 개발된 전지의 효율은 전 세계에 논문으로 공식 보고된 전지 중에서도 최고 수준이다. 미국 재생에너지연구소에서 인증받은 공인 기록도 25.5%로 가장 높다. 이 중간층은 박막형태 이종소재 구성층 사이에서 완충재 역할을 해 결함을 획기적으로 줄인다. 결함은 내구성뿐만 아니라 전자의 흐름을 방해해 효율도 떨어뜨린다. 특히 구성 원소와 원자가 배열된 모양 자체가 다른 이종 소재가 맞닿는 지점에서는 배열이 찌그러져 원자가 빠지는 등의 결함이 쉽게 생긴다. 구성층끼리 약한 물리적 결합으로만 연결되기 때문이다. 연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층간에 생성된 이 중간층 물질을 실험을 통해 입증했다. 확인 결과 이 물질은 전자전달층과 광활성층을 원자 수준에서 결함 없이 연결했다. 포항가속기연구소 X-선 빔라인 등을 실험에 활용했다. 이러한 중간층은 전자전달층의 주석 성분 덕분에 만들어졌다. 주석(Sn)은 2가 양이
헬로티 이동재 기자 | 후처리 필요 없는 간단한 용액 공정으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율을 실리콘 태양전지 효율에 가깝게 향상시킨 연구결과가 나왔다. 한국연구재단은 신현정, 박남규 교수(성균관대학교) 연구팀과 박종혁 교수(연세대학교) 연구팀이 페로브스카이트 이종접합 구조에서의 전하거동 특성을 제어한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제안했다고 밝혔다. 태양전지의 광전변환효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다. 표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용해 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 했다. 기존에도 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다. 이를 위해 연구진은 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분
헬로티 임근난 기자 | 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 10월 수상자로 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕 교수를 선정했다고 밝혔다. ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다. 과기정통부와 연구재단은 양창덕 교수가 다양한 초고성능 유기반도체 소재와 소자 제작기술을 확보하고, 효율성과 안정성을 동시에 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 차세대 반도체 기반 미래산업의 발전과 국가 경쟁력 강화에 기여한 공로를 높게 평가했다고 선정 이유를 밝혔다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질로 높은 에너지 전환효율과 저렴한 가격으로 차세대 유-무기 하이브리드 반도체의 핵심소재로 꼽힌다. 인공지능(AI), 자율주행, 사물인터넷, 디지털의료 등 4차 산업혁명의 근간이 되는 반도체 기술의 패권 경쟁이 갈수록 치열한 가운데 10월 반도체의 날을 맞아 차세대 유기 반도체 소재와 장치 개발에 매진해온 양창덕 교수의 수상이 더욱 뜻깊다. 양창덕 교수는 페로브스카이트 태양전
헬로티 이동재 기자 | 건국대는 공과대학 이만종 교수(화학과) 연구팀이 습윤 환경에서도 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 지난 6일 밝혔다. 페로브스카이트가 엄격한 환경에서 제조해야 한다는 제한은 그동안 설비투자 비용면에서 큰 부담 요인이었다. 이번 연구 결과는 설비 투자 비용이 많이 드는 드라이룸 또는 질소 글러브박스 없이 태양전지를 제작할 수 있음을 보여줘 상용화 가능성을 높였다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘이 아닌 페로브스카이트 물질을 광흡수층으로 사용한다. 최고 효율이 높고 비교적 간단한 용액법으로 제작할 수 있는 장점이 있으나 제조 설비 등이 상용화의 과제로 남아있다. 특히 높은 습도에서는 전구체 용액이 수분과 결합하면서 고품위 페로브스카이트 결정 형성을 방해하기 때문에 습도가 낮은 드라이룸을 설치해야 했다. 이만종 교수 연구팀은 고효율 페로브스카이트 태양전지를 일반 습윤 대기 환경(상대습도>40%)에서 제작할 수 있는 새로운 반용매 세척법을 개발했다. 연구팀은 습도에 따른 영향을 상쇄하기 위해 서로 상보적인 낮은 증기압 특성과 낮은 끓는점 특성을 갖는 다이부틸에터와 다이에틸에터가 혼합된 반
헬로티 조상록 기자 | 한국에너지기술연구원(변환저장소재연구실 이진석 박사 연구진)이 수명을 다한 태양광 폐패널을 재활용하고, 더 나아가 회수한 소재로 고효율의 태양전지를 만드는 데 성공했다. 2020년에 개발한 실험실 규모의 태양광 폐패널 재활용 기술 개발에 이어, 상용화가 가능한 수준으로 스케일업 했으며, 에너지소모량도 추가 절감했다. 또한 재활용 기술을 통해 회수한 소재를 다시 사용해 고효율을 내는 태양전지와 모듈을 만들었다. 한국환경정책·평가연구원에 따르면 태양광 폐패널은 2023년 9,665톤, 2028년 1만6,245톤, 2032년 2만7,627톤 등 발생량은 증가할 것으로 전망된다. 이와 함께 2019년 12월 환경부는 '생산자책임재활용제'에 태양광 폐패널을 포함시키고, 회수한 패널의 80% 이상을 재활용하는 내용으로 법 개정을 완료했다. 태양광 패널은 재활용이 가능한 유리, 알루미늄, 실리콘, 구리 등으로 만들어져 적절한 회수 및 재활용을 할 경우 최소 80% 이상 다시 활용이 가능하다. 연구진이 개발한 태양광 폐패널 통합 재활용 기술은 프레임·정션박스 해체 자동화, 고순도 유리 분리, 유가금속 회수, 태양광 패널 제재조로 구성된다. 핵심 공정은
헬로티 김진희 기자 | 국내 대학 연구팀이 고가의 원소를 포함하지 않아도 세계 최고 발전 효율을 갖는 ‘열전 신소재’ 개발에 성공했다. 전 세계적으로 생산된 에너지의 65% 이상은 사용되지 못하고 열로 사라지는데, 이를 ‘폐열’이라 부른다. 전력 생산은 절대적으로 화석연료에 의존하는데 꾸준히 발생하는 다량의 폐열을 사용 가능한 형태의 에너지로 회수하는 것은 현재 직면한 에너지, 환경 문제에 대처하기 위해 매우 중요하다. 열전 기술은 열에너지를 전기에너지로 직접 변환할 수 있고 간단한 반도체 소자에 구현되기 때문에 어떠한 기계적 소음 및 진동, 유해한 화학물질을 발생시키지 않는다. 이에 열전 기술은 에너지, 환경 문제에 동시 대처할 수 있는 첨단 기술로 꼽혀왔다. 실제로 미국이 두 차례 발사한 화성탐사선의 주 에너지원은 열전이었으며, 맷 데이먼이 주연한 영화 ‘Martian’에서도 화성탐사차량의 에너지원으로 소개된 바 있다. 그러나 지금껏 개발된 고성능 소재들은 유독한 납이나 희귀한 텔루륨 등의 원소를 포함하며, 낮은 발전 효율로 상용화가 어려웠다. 정인 서울대 화학생물공학부 교수팀은 주석(Sn)과 셀레늄(Se)에 기반한 초고성능 다결정 소재를 개발해 이런 문
헬로티 이동재 기자 | 국내 연구진의 연구로 인공광합성 기술 실용화 가능성이 열렸다. 인공광합성 기술은 자연 광합성을 모방해 식물처럼 햇빛을 받아 이산화탄소를 에틸렌, 메탄올, 에탄올 등과 같은 고부가가치 화합물로 전환하는 기술이다. 하지만, 경제성 및 기술적 한계로 인해 실험실 수준의 연구에만 머물러 있었고, 태양전지 연구와 이산화탄소 전환 연구로 분리돼 각각 진행돼 왔다. 한국과학기술연구원(이하 KIST)은 청정에너지연구센터의 오형석, 이웅희 박사 연구팀이 경희대학교(경희대, 총장 한균태) 유재수 교수팀과 함께 전기화학적 이산화탄소 전환 시스템에서 높은 효율로 일산화탄소를 얻을 수 있는 나노미터 크기의 가지 모양 텅스텐-은 촉매 전극을 개발하고, 이산화탄소 전환 시스템을 상용 실리콘 태양전지와 결합해 실제 태양광에서 구동 가능한 대규모 인공광합성 시스템을 제작했다고 밝혔다. KIST 연구진은 기상 이산화탄소 전환 일산화탄소 생성 시스템에 적용할 수 있는 새로운 텅스텐-은 촉매를 개발했다. 해당 촉매는 기존 은 촉매에 비해 60% 이상 향상된 일산화탄소 생산 효율을 보였으며, 100시간 동안의 시험에도 안정적이었다. 또한, 촉매 소재 관점에서 개발된 가지형
헬로티 이동재 기자 | 태양전지는 태양의 빛 에너지를 이용해 전기를 만들어내는 장치로 대표적인 친환경 에너지원입니다. 탄소중립 등으로 인해 전 세계적으로 친환경 이슈가 대두되고 있는 만큼, 국내에서도 태양전지에 관해 많은 연구가 진행되고 있는데요. 작년부터 올해까지 국내의 대표적인 연구기관 여섯 곳에서 진행된 연구 내용을 모아 소개해드립니다. 이번 달은 UNIST와 한국연구재단의 연구입니다.
헬로티 이동재 기자 | UNIST와 호주 연방과학기술원 연구진이 인공지능(AI)을 유기 태양전지 개발에 접목한 기술을 선보였다. 해당 기술은 유기 태양전지를 비롯한 다양한 인쇄형 광전 소자 개발 연구를 가속화할 새로운 연구 방법으로 주목받고 있다. UNIST 에너지화학공학과 김진영 교수팀과 연방과학기술원 박두진 박사팀은 고성능 유기 태양전지 생산에 필요한 재료 성분비와 적층 두께 등을 예측하는 모델을 개발했다. 예측모델은 인공지능의 한 분야인 머신러닝 기술을 활용해 만들었다. 인공지능(머신러닝) 학습에 필요한 데이터 셋은 롤투롤(roll to roll, 원통막대에서 풀려나가는 기판 위에 유기 태양전지 재료를 인쇄한 뒤 이를 다시 다른 원통막대에 감아내는 공정방식) 공정으로 유기 태양전지를 대량 제조함으로써 쉽게 확보할 수 있었다. 유기 태양전지는 유기물, 첨가제 등이 섞인 용액을 기판 위에 코팅해 만든다. 가벼우면서도 유연한 필름형태로 만들 수 있고 값도 싸서 차세대 태양전지로 꼽힌다. 상용 태양전지 대비 낮은 효율이 문제지만 최근 다성분 유기 태양전지가 개발돼 전지 효율도 높아졌다. 하지만 다성분 유기 태양전지가 개발되면서 최적화 작업은 더 까다롭게 됐다.
헬로티 이동재 기자 | DGIST 연구팀이 균일한 입자 크기를 갖는 페로브스카이트 양자점을 획득해 양자점 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 원천 기술을 개발했다. 에너지융합연구부 김영훈 박사와 에너지공학전공 최종민 교수 공동연구팀이 연구한 균일한 입자 크기를 갖는 페로브스카이트 양자점은 박막 및 소자 제작 과정 중에 열처리가 전혀 필요 없어, 향후 플렉시블-웨어러블 태양전지 소자 구현, 고색순도·고발광의 발광 다이오드 소자 분야 등 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 최근 태양전지에 대한 관심이 높아지며 넓은 영역에서 뛰어난 빛 흡수 능력을 갖는 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 특히 양자점은 차세대 태양전지의 핵심 소재로, 입자 크기에 따라 소재의 빛 흡수율과 발광 능력을 결정하는 ‘광학 밴드갭(Optical bandgap)’을 자유자재로 조절할 수 있다. 그 중에서도 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지 제작을 위해 고품질의 페로브스카이트 양자점 합성은 필수적이다. 이때, 합성과정에서 사용된 잔여 전구체 및 리간드 등의 화학물질을 제거해 페로브스카이트 양자점만 선별하는 정제 과정이 필수이지만 정제에 사용되는 안티용매(An
[첨단 헬로티] LONGi Solar가 중국 National Center of Supervision and Inspection on Solar Photovoltaic Product Quality (CPVT) 테스트 결과, 상용 웨이퍼(M2) 치수를 이용해 사상 처음으로 단결정 실리콘 PERC 변환효율 24%를 돌파하며 세계 신기록을 세웠다고 발표했다. CPVT가 테스트한 LONGi Solar의 최신 혁신 양면 PERC 태양전지는 변환효율 24.06%를 달성했다. CPVT는 LONGi Solar가 제출한 표준 웨이퍼 치수(156.75x156.75mm2)(M2)에서 단결정 실리콘 PERC 전지를 테스트했다. 표본 전지는 부하 기능으로 전류-전압 특징을 파악하기 위해 표준 테스트 조건에서 측정됐다. LONGi Solar 사장 Li Wenxue는 “자사는 세계 태양광 시장에 고효율성 제품을 제공하는 꾸준한 능력을 증명함으로써, PERC 태양전지 변환효율의 세계 신기록을 세우는 대단한 성과를 달성했다”라며 “자사의 최신 태양전지 변환효율 기록은 자사의 R&D 투자 성공도 의미한다. 최근 수년간 자사의 R&D 투자는 업계