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2018/06/25 인터뷰 > 교수

제목

친환경을 고려한 실리콘 태양전지

친환경 소재와 신기술로 태양전지 효율을 높인 박재근 교수(융합전자공학부)

김민지

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/7Xgd

내용
 
과학기술 발전의 속도가 눈부시게 빠르다. 그만큼 환경에 대한 사람들의 인식 역시 높아지고 있다. “글로벌 리딩을 위해선 친환경인 요소도 중요합니다.” 과학과 사회 환경이 함께 호흡해야 한다는 박재근 교수(융합전자공학부)는 초창기 과학기술개발과 달리 지금은 친환경, 나아가 윤리까지 고려해야한다고 말했다. 박재근 교수의 새로운 실리콘 태양전지 기술은 친환경 양자점(Quantum Dot, 이하 퀀텀닷)을 장착해, 에너지 전환 효율을 높였다.

 

친환경 양자점 실리콘 태양전지
 

실리콘 태양전지에 관한 연구는 근 20년동안 이루어졌다. 그 동안 광전환변환효율이 2%가 올랐다. 이는 실리콘 자체만으로 효율을 더 높이기엔 현재의 실리콘 기술이 한계임을 의미한다. 박재근 교수는 이를 극복하기 위해 실리콘 표면에 퀀텀닷을 장착했다. 이 콴텀닷은 기존의 기술로 흡수가 어려운 자외선 대역의 빛을 반사하지 않고 흡수한다. UV(ultraviolet rays, 자외선)를 흡수하고 가시광선은 자연스럽게 통과시켜 실리콘으로 들어가게 한다. 이 과정에서 잃어버리는 에너지가 적어, 에너지 다운 시프트(에너지를 조금 잃는 효과)를 가능하게 했다. 양자점의 흡수 대역과 발광 대역 중첩을 최소화한 것이다. 기존 실리콘 태양전지는 활용하지 못하던 자외선 영역으로부터 추가적인 전력 생산을 가능하게 했다. 5년 전 처음으로 구현된 이 기술은 양자역학의 큰 성과였다.
 
▲ 박재근 교수(융합전자공학부)를 지난 22일 HIT 연구실에서 만났다. 박 교수는 친환경 실리콘 태양전지 기술을 연구했다.

박 교수는 이것에서 그치지 않고, 이러한 기술에 ‘에너지 튜닝’을 더했다. 처음의 퀀텀닷은 파장이 가장 작은 UV빛을 흡수해, 그 다음 파장이 큰 블루를 발광했다. 하지만 블루는 그린보다 광전력변환효율이 떨어진다. 효율을 더 높이기 위해서는 그린이나 레드로 발광하게 해야 했다. 박 교수는 이 역시 세계 최초로 개발을 마쳐 발표했다. 자외선을 흡수해 가시 광선으로 변환시키는 ‘에너지 다운 시프트’와 UV를 흡수해 그린, 레드로 변환하게 하는 ‘에너지 튜닝’으로 총 전력변환효율을 예전보다 4.11%나 향상시켰다.
 
▲ 박재근 교수가 에너지 튜닝에 대해 설명하고 있다. 에너지 튜닝은 전력변환효율을 높여주는 박 교수의 핵심 기술이다.

하지만 박 교수는 곧 문제에 부딪혔다. “이를 실제로 상용화하려고 했을 때, 환경적으로 문제가 있었습니다. 퀀텀닷의 에너지 다운 시프트를 가장 많이 시키는 환경규제물질 ‘카드뮴’이 문제였죠.” 2014년에 에너지 다운 시프트를 발표, 2017년에는 에너지 튜닝을 적용한 논문을 발표. 하지만 이 두 경우 모두 카드뮴의 사용 때문에 상용화가 불가능했다. 박 교수는 이후 새로운 ‘친환경’ 소재를 활용한 퀀텀닷을 발표했다. 인체에 해로운 카드뮴과 수은을 함유하지 않고, 태양전지용 갈라이트(GuGaS2)와 황화아연(ZnS)를 조합해 대체했다. 상용화에 한발 더 가까워졌다.
 
▲ 위의 도표는 퀀텀닷의 작동 원리이다. 에너지 튜닝을 더한 퀀텀닷은 전력변환효율을 향상시킨다. (박재근 교수 제공)
 
과학과 인간사회가 함께 걷는 길
 
“과학 기술을 연구하는 이유는 결국 인간의 삶을 윤택하게 만드는 것입니다.” 친환경과 윤리적인 측면 모두 고려를 해야 진정한 과학 기술이라 말했다. 환경과 과학기술이 함께 하기위해선 소수의 희생까지도 고려해야 한다고 강조했다. 또, 박 교수는 아무리 기술력이 우수해도 이러한 기준을 충족시켜야 세계 시장에 나설 수 있다고 덧붙였다.
 
이어서 박재근 교수는 모든 게 너무 빨리 발전하는 사회에서 속도에 상응해야 하는 학생들의 노력에 대해 말했다. “빠른 과학 동향의 속도를 캐치하고 공부하는 태도가 중요합니다. 능동적으로 공부하고 새로운 것을 개발, 시작해보려고 하세요.” 


 
글/ 김민지 기자     melon852@hanyang.ac.kr
사진/ 박근형 기자  awesome2319@hanyang.ac.kr
 
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