새로운 우주탐사용 태양전지 개발 나선다

[세계는 지금] 英 워릭대 연구진, 금속 할라이드페로브스카이트 화합물 이용 태양전지 개발 시작

금속 할라이드 페로브스카이트 화합물

금속 할라이드 페로브스카이트 화합물(Metal halide perovskite)은 ABX3 구조를 가지고 있으며, 면심입방구조(face centered cubic)와 체심입방 구조(body centered cubic)가 합쳐진 형태이다. A 자리에는 유기물 암모늄(RNH3) 양이온이나 1가의 알칼리금속 이온, B 자리에는 Pb, Mn, Cu, Ge, Sn, Ni, Co, Fe, Cr, Pd, Cd, 또는 Yb와 같은 금속 원소(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 그리고 전이 금속 등), 그리고 X 자리에는 Cl, Br, I 혹은 이들의 조합으로 이루어진 할로겐 원소들이 위치한다.

일반적인 금속 할라이드 페로브스카이트 화합물 구조 ⓒ Bresolin et al. 2020

특히, 금속 할라이드 페로브스카이트 재료들은 단가가 낮고, 합성 방법이 매우 간단하다. 또한, 용액 공정이 가능하다는 장점이 있으며, 광발광(photoluminescence) 및 전계발광(electroluminescene) 특성을 가지고 있기 때문에 발광 다이오드로의 응용도 가능하다.

 

태양 전지판에도 이용된다?

최근 특히 금속 할라이드 페로브스카이트 화합물이 큰 주목을 받고 있는데, 이를 이용한 응용범위가 무궁무진하기 때문이다. 특히 유럽연합과 영국은 우주에서 사용할 수 있는 새로운 태양전지를 개발하기 위한 연구에 관심이 많은데, 위 금속 할라이드 페로브스카이트 화합물은 지구 대기 밖에서 놀라울 정도로 안정적으로 유지되기 때문에 이를 통해 투명하고 유연한 태양 전지판을 만드는 데 사용될 수 있다고 생각되고 있다.

태양계 외곽 탐사를 위한 보이저 1, 2호 등과 같이 도달하는 태양 빛이 약한 탐사선들이나, 이외에 심우주 임무들엔 주로 원자력 전지가 쓰인다. 특히 몇몇 화성 탐사선들과 2012년에 화성에 착륙한 큐리오시티 로버에도 원자력 전지가 쓰였는데 이는 로버의 크기와 비례하여 만들어질 태양전지의 크기가 다소 작은 탓에 탐사선의 소비전력을 정상적으로 공급하기 위해서이다. 최근 누리호에 탑재됐던 162.5㎏ 성능검증위성의 내부에도 750g 우주용 ‘방사성동위원소전지’가 탑재되었다.

왼쪽: 최근 누리호에 탑재됐던 162.5㎏ 성능검증위성, 오른쪽: 위성의 내부에 탑재된 750g  우주용 ‘방사성동위원소전지’ 시제품 ⓒ 한국원자력연구원

하지만 원자력 전지에 사용되는 비싼 연료 가격은 우주 탐사에 큰 부담이 되고 있다. 실제로 이 때문에 탐사가 취소되는 경우도 허다한 점을 생각해보면, 반영구적으로 사용이 가능한 태양광을 이용하는 태양전지는 우주 임무의 정상적인 수행에 반드시 해결되어야 할 문제이다. 태양전지는 우주 산업에서의 화석연료 의존도를 줄이기 위한 대안으로도 주목받고 있다.

 

새로운 유형의 태양 전지를 만들자 – 영국 워릭대 연구진

최근 영국의 워릭대학교는 새로운 유형의 태양 전지를 만들기 위한 연구를 위해서 유럽 연구 위원회(ERC)로부터 5년간의 연구를 승인받으며 총 220만 파운드(약 35억)를 투자받았다. 이 중 14억 원 정도를 들여서 400메가헤르츠(MHz)의 핵자기 공명 (NMR: Nuclear Magnetic Resonance, 원자핵이 자기장에 의해 생성되는 에너지를 흡수하여 다른 에너지로 전이되는 현상을 이용한 물질 분석법) 분광기를 구입할 계획이다.

기존 태양전지 소재에 사용되는 실리콘은 20년 이상의 긴 내구성을 가지고 있지만, 태양 전지가 상대적으로 두꺼워져야 한다는 단점이 있다. 이에 따라 부서지기 쉽고 우주 방사선에 취약한 실리콘의 한계를 극복해야 한다. 앞선 설명처럼 금속 할로겐형 페로브스카이트를 이용하면 대기권 밖에서도 사용이 가능하며 내구성도 우수한 편이다.

실리콘을 대신하여 금속 할로겐형 페로브스카이트가 태양전지에 사용될 수 있을까? ⓒ Morakot Kawinchan/Shutterstock.com

다만 대기 내에서 금속 할로겐형 페로브스카이트를 이용하면 높은 습도, 강한 햇빛 및 높은 온도에서 쉽게 열화되며 수명이 다소 짧다는 단점이 존재하는데, 연구팀은 이에 착안하여 핵자기 공명 (NMR) 분석법을 통해 금속 할로겐형 페로브스카이트의 구조를 원자 수준에서 분석할 계획을 가지고 있다.

이를 통해서 금속 할로겐형 페로브스카이트의 수명이 짧은 원인을 규명하고 단점을 보완하며 높은 내구성을 지닌 금속 할로겐형 페로브스카이트 태양 전지를 개발함에 있다. 연구의 최종 목표는 이를 기반으로 우주 임무에 적합한 새로운 태양전지 소재 물질을 찾아냄에 있다.

본 연구를 이끌 도미닉 쿠비치 교수 ⓒ 워릭대학교

본 연구는 워릭 대학교 물리학과 도미닉 쿠비치 교수(Prof. Dominik J. Kubicki)가 맡아서 이끌 예정이며 연구진은 위 연구를 통해서 지속 가능한 에너지원을 다양화하고 화석 연료에 대한 의존도를 줄이기 위한 다양한 옵션을 찾아내는 데 큰 도움이 될 것이라고 기대하고 있다. 쿠비치 교수는 위 연구를 시작함에 있어서 매우 기대되며, 물질을 보다 안정적으로 만드는 방법을 찾기 위해서 노력할 것이라고 밝혔다.

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