지구온난화로 인하여 대체 에너지에 대한 사람들의 관심은 점점 높아지고 있습니다. 그리고 지구온난화가 가속되면서 대체 에너지가 조속히 기존의 화석 에너지 대신 자리잡을 수 있도록 개발에 속도가 붙고 있습니다. 이 때 대체 에너지를 개발하는 주목적은 탄소 배출량을 줄이기 위함입니다. 이 때 가장 주목 받고 있는 신재생 에너지가 태양광 발전입니다.
태양광 발전
태양광 발전은 빛 에너지를 광전효과를 통해 전기를 생산하는 것을 말한다. 흔하게 볼 수 있는 태양광 패널이 곧 발전에 사용되는 전지입니다. 이 태양 전지는 다들 접해만 보고 실질적인 응용 사례는 극히 일부라는 사실을 알 수 있을 것입니다. 그 이유는 대부분 사용되는 주 물질로부터 출발합니다.
태양광 전지는 p-n형 반도체로 이루어져있습니다. P형 반도체는 정공이 많은 물질이고 N형 반도체는 전자가 많은 물질로 이루어져 있습니다. 이 때 정공은 원자에서 전자가 빠져나간 공간이고 준입자성과 +전하를 띕니다. 이 두 반도체 모두 전기 전도성이 좋지만 접합 부분은 그렇지 않습니다. 따라서 두 반도체를 잇는 전선을 연결하면 그 전선으로 전자가 흐르게 됩니다. 따라서 최종적으로 이 전자의 흐름이 곧 전기의 생산입니다.
태양광 발전에는 크게 두 가지 물질이 대표적으로 사용됩니다. 첫 번째 물질이 실리콘입니다. 실리콘은 태양광 패널에 많이 쓰이는 물질이지만 실리콘으로 만든 태양광 전지는 많은 단점을 보유하고 있습니다. 기본적으로 태양 전지의 가격을 비싸게 하는 주범입니다. 그리고 무게가 무겁고 두께가 무거워 적용 범위가 한정된다는 특징이 있습니다. 즉 태양관 전지 상용화 어려움에 언급되는 주요 이유는 전부 실리콘의 단점이라고 볼 수 있습니다.
이에 이어서 등장한 물질이 페로브스카이트입니다. 페로브스카이트란 티탄산 칼슘으로 이루어진 칼슘 타이타늄 산화 광물입니다. 그리고 이와 같은 구조를 페로브스카이트 구조라고 합니다. 페로브스카이트는 실리콘의 단점을 대부분 보완할 수 있습니다. 높은 전기 전도도를 가지기 때문에 전지의 소재로 매우 적합합니다. 그리고 실리콘이 무게와 크기 때문에 적용되지 못한 점과 다르게 페로브스카이트는 응용할 수 있는 범위가 넓습니다. 그러나 이 전지가 상용화가 어려운 이유는 물에 약한 페로브스카이트가 구조가 뒤틀려 비오는 날이거나 습한 날 고장의 위험이 있기 때문입니다. 따라서 좋은 효율에도 불구하고 실질적인 적용은 어려운 상황입니다.
페로브스카이트 전지 박막 기술
페로브스카이트 태양 전지를 활성화 시키기 위해 여러 기술들이 개발되고 있습니다. 그 중 최근 페로브스카이트 태양 전지 활성화를 매우 앞당긴 기술이 바로 박막 기술입니다. 박막 기술을 통해서 페로브스카이트 표면을 습기와 물로부터 보호하는 것이 이 기술의 목적입니다. 따라서 태양광은 흡수하고 물로 인한 구조의 뒤틀림을 일어나지 않는 방향으로 상용화가 일어날 수 있습니다.
이번에 새로 개발된 페로브스카이트 박막 기술은 페로브스카이트 할로겐화물 박막 위에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 이중층 할로겐화물 구조를 만듭니다. 이로 인하여 전기적 성질도 향상되고 전체적인 전지로의 효율도 증가하였습니다. 습도에 따른 안정성도 매우 높아 페로브스카이트의 가장 치명적 단점이었던 물과 습기로부터 보호 받을 수 있습니다.
이번 박막 기술의 더 큰 의의는 상용화에 있습니다. 박막 기술에는 흑연이 사용되어 흔한 물질인 만큼 상용화에 쉽다는 장점을 가집니다. 즉, 이 전에 사용되었던 박막 물질은 전부 상용화가 어려운 고가의 물질이었지만 이 기술을 통해 페로브스카이트의 단점을 쉽게 보완하고 태양 전지가 상용화 되는 미래에 한 걸음 다가왔습니다.
원하던 케미 2019 여름호
작성자: 18-110 최성아
분야: 전기화학, 재료화학
참고문헌:
[1] Isabella Poli, Ulrich Hintermair, Miriam Regue, Santosh Kumar, Emma V. Sackville, Jenny Baker, Trystan M. Watson, Salvador Eslava, Petra J. Cameron. Graphite-protected CsPbBr3 perovskite photoanodes functionalised with water oxidation catalyst for oxygen evolution in water. Nature Communications, 2019
[2] Sciencedaily - Solar-powered hydrogen fuels a step closer
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190509101855.htm
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