[과학의 窓―신성철] 화려하게 재기한 태양전지 기사의 사진

유가의 급등에 따른 불안감, 화석연료 사용에 따른 환경오염과 기후 변화가 심각해지면서 친환경 에너지에 대한 관심이 고조되고 있다. 이런 측면에서 태양광이 이상적 에너지원으로 다시 떠오르고 있다.

지구가 태양으로부터 1시간 동안 받는 에너지는 현재 전세계가 1년 동안 소비하는 에너지에 해당할 정도로 엄청나다. 문제는 지표면에 도달한 태양광의 에너지 밀도가 낮아 산업이나 일상생활에서 직접 사용하기에는 적당치 않다는 것이다. 그러므로 태양광을 유용한 에너지원으로 활용하기 위해서는 태양에너지를 효율적으로 흡수하고 전환하는 기술이 필요하다.

태양광을 이용하여 전기에너지를 만들겠다는 구상은 170여년 전 프랑스의 앙투안 앙리 베크럴이 이른바 '광기전력효과(光起電力效果: Photovoltaic effect)'를 발견하면서 시작되었다. 전해질 속에 담겨진 금속전극에 빛을 비추면 전력이 증가하는 현상을 처음 발견한 것이다. 이 현상을 활용하여 1954년 미국 벨연구소 과학자들이 반도체를 이용하여 빛을 전기로 변환하는 태양전지를 최초로 개발하였고, 4년후 미 우주선 뱅거드의 보조 전원으로 활용되면서 실용화되기 시작하였다.

태양전지에 대한 관심은 1970년대 두 차례에 걸쳐 석유파동이 엄습하면서 고조되었다. 일본에서 일명 '선샤인 프로젝트' 라는 태양전지 개발연구가 시작되면서 전세계적으로 태양전지에 대한 연구를 촉발시켰다. 미국 최대 정유회사인 엑슨발데즈의 경우, 태양전지 개발 주도권을 잡기 위해 파격적인 연봉과 연구비를 제공하며 유명 과학자를 유치해 화제가 되기도 하였다. 필자도 당시 미국 유학을 준비하면서 이 분야연구에 지대한 관심을 가졌다. 80년 후반부터 태양전지는 여타 에너지에 비해 경제성이 낮다는 이유로 '선셋 프로젝트' 신세가 되었다. 시대가 영웅을 낳는 것일까?

21세기초 고유가, 친환경 시대를 맞이하면서 태양전지 개발이 다시 화려하게 붐을 이루기 시작했다. 우리나라에서도 태양전지 연구를 그린에너지 개발 사업의 하나로 선정하고 올해부터 국가 차원에서 지원하기로 하였다.

태양광발전의 궁극적 실용화를 위해서는 생산가격을 5분의 1 이하로 낮추는 것이 관건이다. 이를 위해서 에너지 변환효율, 즉 흡수된 태양광에너지 대비 생산되는 전기에너지비를 극대화하는 데 초점을 맞춘 연구가 진행되어 왔다. 지금까지 단결정 혹은 다결정 실리콘을 이용한 태양전지가 가장 활발히 개발되어 왔는데, 현재 최고 20%의 효율까지 얻을 수 있음이 보고되었다.

실리콘 태양전지 변환효율을 능가하기 위해 카드뮴-테룰라이드(CdTe) 등과 같은 화합물 반도체를 이용한 연구가 경쟁적으로 진행되고 있다. 이 연구가 성공할 경우 30∼40%의 높은 에너지 변환 태양전지가 개발될 것으로 기대된다. 저가의 태양전지 개발을 위해 유기물질을 이용한 유기태양전지에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

작년 전세계 전기 소비량 가운데 태양전지가 차지하는 비중은 1% 내외로 아직은 미미하다. 그러나 최근 5년의 성장 증가추세를 감안할 때 2030년 쯤 태양전지 비중이 10%로 크게 늘어날 것으로 예측되고 있다. 시장 규모도 연간 3000억달러를 상회할 것으로 전망된다. 전세계 반도체 시장 규모에 버금가는 엄청난 규모다. 반세기 전 우주선 전원으로 활용되기 시작한 태양전지는 전자제품, 주택, 자동차, 산업기기 등 실로 다양한 분야에서 청정에너지원으로 활용될 것이다.

신성철 KAIST교수·물리학

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