차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지
차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지
  • 강기훈 기자
  • 승인 2018.12.01 14:21
  • 댓글 0
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김정규 성균관대학교 화학공학과 교수

 

김정규 성균관대학교 화학공학과 교수
김정규 성균관대학교 화학공학과 교수

급격한 기후변화와 각종 환경오염으로 인해 친환경 에너지가 대두되고 있다. 그중 각광받는 페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다. 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념해 이름을 만들었다. 간단한 공정과 높은 에너지 효율이라는 특성 덕분에 태양전지 소재로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 지난 10, 세계적 권위를 자랑하는 국제 학술지 Advanced Energy Materials고성능 페로브스카이트 태양전지에 대한 김정규 교수 연구팀의 논문이 게재됐다.

 

고성능 페로브스카이트 태양전지, 안정성 높이고 시간은 단축

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정 구조로 이루어진 유·무기 하이브리드 소재를 태양광 흡수층으로 활용해서 태양전지로 제작한 에너지 변환 소자이다. 흡수된 태양에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환시키기 위해서는 태양광 흡수층에서 생성된 전자를 효과적으로 추출해내야 한다.

성균관대학교 화학공학과 김정규 교수는 본 연구에서는 지구상에 흔하게 존재하고 친환경적인 물질인 금속산화물 표면을 전이금속으로 코팅한 후, 고온의 불꽃에 1분 이내로 빠르게 구워내 페로브스카이트 소재로부터 효과적인 방법으로 전자를 추출하게 유도함으로써 고성능 페로브스카이트 태양전지를 구현하였습니다라고 이번 연구성과에 대하여 소개했다.

고체로 제작되는 페로브스카이트 태양전지는 2011년도에 처음 발명된 이래로 2018년 현재까지 약 7-8년의 짧은 기간 동안 비약적으로 발전했다. 하지만 이를 상업화하기 위해서는 전자를 추출하는 핵심 요소인 전자 추출층의 부족한 내구성을 개선시켜야 했다. 다양한 아이디어를 고민하면서 평소처럼 쥐포를 가스불에 구워 먹던 김 교수는 왜 불에 구우면 더 맛있어질까?라는 생각을 하게 되었고, 이는 고온의 불꽃이 양념으로 하여금 고기로 더욱 잘 스며들게 하기 때문이라는 사고로 착안했다. 그는 금속산화물 소재에 양념 역할인 전구체 용액을 바르고 메탄가스에 가열하여 도핑을 시도하게 됐다. 고온의 불꽃에서 급속도로 진행되는 도핑이 큰 열 충격을 유도하여 원자반지름이 큰 금속도 안정적으로 금속산화물에 스며들게 할 수 있었다. 이를 통해 소재의 전자구조와 전기적 특성이 개선됨을 확인해 페로브스카이트 태양전지에 도입하는 연구를 진행했다.

금속산화물은 태양전지를 비롯한 다양한 촉매, 이차전지, 디스플레이, 메모리, 벽지, 코팅제 등 매우 다양한 분야에 응용되고 있습니다. 1분 이내의 빠르고 저렴한 공정 속도 덕분에 응용성과 범용성이 높아 금속산화물의 원자구조 및 전기적 특성 개선이 필요한 분야라면 직접 도입해 활용할 수 있다고 생각합니다. 특히, 미세먼지 저감을 위한 신재생 에너지 기술 중에서도 태양광을 이용하여 물을 분해함으로써 수소에너지를 생산하는 연구가 있는데, 이를 위한 광전극 소재에 본 연구에서 개발한 기술을 도입한다면 신재생 에너지로서 태양광 및 수소 에너지의 상업화에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대합니다.

3, 성균관대학교 화학공학과 신임 교수로 부임한 김정규 교수는 많은 공동연구를 진행하면서 여러 도움을 받았지만 한편으로는 연구과제 수주 및 인프라의 제약과 어려움이 많았음을 토로했다. 이러한 고충을 경험했기에 더욱 더 연구에 정진해 후학에게는 좀 더 나은 연구 환경을 제공하겠다는 김 교수의 말을 통해 확신과 자신감이 느껴졌다.

 

트랙을 무한 질주하는 레이서 같은 연구자 될 것

김정규 교수가 진행 중인 또 다른 연구 주제는 태양광과 같은 빛에너지를 인류가 사용하기 용이한 에너지로 변환시키는 에너지 변환 소자를 제작하는 것이다. 금속산화물 소재의 나노구조를 제어하고 이를 소자로 응용하는 것이다. 더불어 김 교수는 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 광전기화학 소자 연구도 함께 진행하고 있다. 특히 태양광의 효과적 활용을 위해 나노 패턴 구조를 제작해 금속산화물과 합리적인 이종접합을 설계함으로써 강한 플라즈몬 현상을 유발시키고, 이를 통해 태양광·물분해·수소생산 능력을 크게 향상시키는 연구도 진행했다.

국내 미세먼지를 포함한 세계적인 이상 기후 현상은 반드시 극복해야 할 과제입니다. 이제 신재생 에너지는 선택이 아닌 필수가 되었습니다. 저는 물리, 화학, 생물, 지구과학을 넘나드는 융합 연구를 기반으로 에너지 나노 소재를 개발함으로써 신재생 에너지의 상업화를 실현할 수 있는 기술의 연구 및 개발을 목표로 연구 활동을 이어나갈 것입니다

이어서 그는 저의 박사 학위 심사 위원장이셨던 정찬화 교수님께서 해 주셨던 조언이 있습니다. 박사 학위는 운전면허와 같아 이를 보유하고 있어도 어떤 사람은 장롱면허가 될 수도, 어떤 이는 레이서가 될 수 있는 것처럼 끝없이 정진하여 멈추지 않는 연구자가 되라고 당부하셨습니다. 저는 끝없이 정진하는 연구자가 되기 위해 노력하고 있으며, 동시에 저와 함께 트랙을 질주할 수 있는 후속세대 양성을 위해 아낌없는 지원을 할 계획입니다라고 포부를 전했다.

김 교수는 석사 학위 과정 중에는 아침 일찍 기상해 시약을 제조하고, 저녁까지 다양한 샘플 공정을 진행하며, 동이 틀 때까지 쉬지 않고 연구 생활에 매진했다. 한 숨 돌리고 나면 같은 일상의 내일이 시작됐다. 이런 일상을 5년 가량 지속했다는 그의 말을 통해 우리가 알지 못했던 노력의 흔적을 엿볼 수 있었다. 상대적으로 이른 나이에 교수라는 직책을 맡게 된 김 교수에게 아직 연구자와 교육자로서의 남은 시간은 많기에 그의 행보가 더욱 기대된다.


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