[D리포트] 꿈의 기술 60% 효율 태양전지, 상용화 될까

현재 20% 수준인 태양전지의 발전 효율이 60%까지 올라가면 어떤 변화가 올까.

학계와 기업이 그 가능성을 상상하기 시작했습니다.

[문수진/한화솔루션 큐셀 판교 R&D센터장 : 60% (효율) 태양전지를 차위에 얹는다면 자동차 자체가 충전이 필요없이 바로바로 주행을 하면서 충전이 되는.]

[박남규/성균관대 화학공학부 종신석좌교수 : 모든 사람들이 전기를 발전하는 생산자가 될 수 있고 에너지의 민주화가 이루어질 수 있다.]

지난해 지구 평균 기온은 15.1도, 산업혁명 대비 1.6도나 오른 역대 최대치를 기록했습니다.

기온 상승 폭을 1.5도로 제한하자는 파리협정의 저지선마저 무너졌습니다.

지구의 온도가 급격히 올라가는 건 인류가 배출하는 이산화탄소 때문입니다.

이를 막기 위해 탄소 배출이 없는 재생에너지를 늘리고 있는데 가장 현실적인 기술이 태양광입니다.

금속에 빛을 쬐면, 전자가 튀어나오는 걸 광전 효과라고 하는데, 아인슈타인이 노벨상을 받은 건 이 광전 효과의 원리를 완벽하게 설명했기 때문입니다.

튀어나온 전자가 움직이면 전기가 됩니다.

이 원리를 응용해 태양광 발전 기술을 개발한 겁니다.

[박남규/성균관대 화학공학부 종신석좌교수 : 지구 인류가 사용하는 에너지는 약 600 엑사줄로 태양 에너지의 고작 0.0016%입니다. 하루에 도달하는 태양에너 지의 양만 있어도 지구 전체의 연간 에너지를 충당할 수 있는 만큼 매우 많은 에너지입니다. 태양 전지는 지구온난화를 멈출 수 있는 매우 유용 한 기술인 동시에 태양이 있는 한 계속 사용할 수 있기 때문에 신재생에너지 기술입니다.]

2050년 탄소 넷 제로, 즉 탄소 순 배출량 0이 되려면 매년 3,000기가와트의 태양광 발전소가 필요합니다.

그러나 2023년 기준 연간 설치량은 400기가와트 수준이라 턱없이 부족합니다.

설치 공간도 문젭니다.

땅이 좁은 우리나라는 산과 들을 깎아내 태양광 패널을 설치하고 있지만 한계가 있습니다.

효율을 높이는 게 중요한 이유입니다.

처음 1% 수준이던 태양전지의 발전효율은 최근 23%까지 늘었습니다.

흡수한 태양 에너지의 23%를 전기로 바꾼다는 의밉니다.

하지만 실리콘만을 이용한 현재 태양전지는 물리적 한계에 도달했고, 이론적 최대 효율도 29%가 끝입니다.

그래서 새로운 물질들과 실리콘을 연결해 더 효율 좋은 태양 전지를 개발하는 작업이 진행 중입니다.

[박남규/성균관대 화학공학부 종신석좌교수 : 2012년 8월 우리 연구팀에서 고체 페로브스카이트 태양전지를 세계에서 최초로 개발했습니다. 페로브스카이트는 유·무기 원소로 만들어진 광흡수 반도체로 기존의 알려진 물질에 비해 흡광 계수가 매우 높고 광전자 이동도와 수명이 우수합니다.]

[문수진/한화솔루션 큐셀 판교 R&D센터장 : 독자 개발한 페로브스카이트 상부셀 기술을 접목하여 상용화에 가까운 태양전지로써 최고 효율을 구현했다는 데 큰 의미를 가집니다. 또한 2024년에는 1,300억 이상을 투자해 충북 진천에 탠덤 셀 파일럿 생산 라인을 구축했으며.]

[문수진/한화솔루션 큐셀 판교 R&D센터장 : 좀전에 소개 시켜 드렸던 M10 웨이퍼 사이즈의 탠덤 셀입니다. 이런 차세대 기술에 대한 투자를 아끼지 않고 하기 때문에 기술에 있어서 경쟁력을 가질 수 있었다고 생각합니다.]

학계와 기업의 최종 목표는 물리적으로 도달할 수 있는 최대치인 발전 효율 60%의 태양전지를 만드는 겁니다.

[남기태/서울대 재료공학부 교수 : 일반적인 태양전지는, 에너지가 높은 빛(광자) 하나로 전자 한 개만 만들어냅니다. 그 나머지 에너지는 대부분 열로 날아가 버리죠. 그런데 만약 남는 에너지를 주변 전자에게 나눠줘서 추가 전자를 만들어낼 수 있다면 어떨까요? 이것이 바로 물리학에서 유명한 오제 효과를 (Auger process)를 이용한 전략입니다.]

힌트는 우리 주변에 있습니다.

[남기태/서울대 재료공학부 교수 : 자연은 이미 수억 년 전부터 이 문제를 해결해 왔습니다. 식물은 광합성을 통해 태양 에너지를 화학 에너지로 바꾸는데, 그 과정에서 양자 결맞음(quantum coherence) 현상이 나타납니다. 빛의 에너지는 엽록체 내부를 여러 경로로 '동시에 ' 퍼지며, 최적의 경로를 스스로 선택해서 이동합니다. 이 놀라운 전략을 이해하고 모방한다면 우리가 꿈꾸는 전기만이 아닌 화학에너지로의 전환도 가능한 시대가 열릴 거라 생각합니다.]

60% 효율 태양 전지는 현재 기술로는 불가능해 보이는 도전적 과제, 꿈의 기술이지만 지속 가능한 미래를 위해 반드시 이뤄내야 할 인류의 숙제이기도 합니다.

(취재 : 정구희, 영상편집 : 윤태호, 제작 : 디지털뉴스편집부)