수소, 이차전지, 촉매분야 등 청정에너지기술 전반 확대
[에너지신문] 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연)이 유럽 유수의 산·학·연과 어깨를 나란히 하고 탄소중립 기술 개발을 위한 국제 협력에 나선다.
에너지연은 유럽연합(EU) ’호라이즌 유럽‘ 프로그램 중 고성능 유연 탠덤 태양전지 기술 선도를 위한 컨소시엄에 공식 선정돼 탄소중립 기술혁신을 위한 협력 연구에 착수한다.
‘호라이즌 유럽’은 지난 1984년부터 시작된 유럽연합 다자 연구혁신 재정 지원 사업으로 개별 회원국이 추진하기 어려운 연구혁신 사업을 유럽연합 차원에서 추진함으로써 유럽의 자체 과학기술 역량과 추진력을 확보하고 유럽 연구자 간 결속을 추진하는 사업이다.
우리나라는 지난 2022년 2월에 호라이즌 유럽 준회원국 가입 의향을 전달한 바 있으며 지난해 5월 한-유럽연합 정상회담을 계기로 본격적인 가입 협상을 진행하고 있다.
컨소시엄에는 독일 최대 국책 연구조직인 헬름홀츠 연구회 산하 헬름홀츠 베를린 재료·에너지 연구소(이하 ‘HZB’)를 비롯해 유럽의 산·학·연 13개 기관이 참여하고 있으며 지난 1월 17일~18일 양일간 오스트리아 인스브루크에서 착수 회의를 갖고 구체적인 연구전략 방향을 논의했다.
HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie)는 독일 4대 연구회 중 하나이자 최대 연구조직인 헬름홀츠 연구회 산하 소재 및 에너지 분야 전문 연구조직으로 2022년 12월 탠덤 태양전지 32.5% 변환효율을 달성하는 등 차세대 태양전지 기술 분야를 세계적으로 선도하고 있다.
또 국내 최대 태양광 기업인 한화큐셀과도 탠덤 태양전지 기술개발 협력 중이며 태양광 분야 뿐만 아니라 수소, 에너지 소재 등 탄소중립 기술 분야를 선도하는 글로벌 TOP 연구기관이다.
컨소시엄이 추진하는 ‘SOLMATES’ 과제는 통상의 단일접합 태양전지가 가진 효율의 한계와 한정적인 사용 환경을 동시에 극복하는 ‘초경량 유연 태양전지 개발’을 목적으로 지난해 12월부터 3년간 수행 된다.
Scalable High-power Output and Low cost MAde-to-measure Tandem Solar Modules Enabling Specialized PV Applications(SOLMATES)는 사용처 다변형 고출력 탠덤 태양광 모듈 기술로 총괄기관은 Universitat Innsbruck(오스트리아)이며 독일 Helmholtz-Zentrum Berlin fur Materialien und Energie GmbH (HZB)와 네덜란드 Nederlandse organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek(TNO)가 주축이 된 컨소시엄으로 운영된다.
에너지연은 핵심 참여기관인 HZB와 함께 ‘다중접합 태양전지용 초경량 유연 하부 태양전지 고도화‘에 참여하고 있다.
과제의 핵심은 초경량 유연 다중접합 태양전지 개발이다.
연구진은 CIGS 박막과 페로브스카이트 박막을 순차적으로 적층하는 구조를 집중 연구해 초고효율을 달성할 계획이다.
세계적으로 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 경우 이미 HZB를 비롯한 선도 기관에서 30% 이상의 초고효율을 달성했으나 초경량 유연 박막으로는 달성된 바 없어 이번 과제를 통해 초고효율을 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
다중접합(탠덤) 태양전지는 단일 접합 태양전지의 한계 효율(<30%)을 극복하기 위해 두개 이상의 서로 다른 밴드갭을 가진 태양전지를 적층해 빛의 이용률을 높인 태양전지를 말한다.
또 CIGS는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 기본 원소로 이루어진 화합물(Cu(In,Ga)Se2) 반도체로 빛을 흡수하는 특성이 뛰어나 박막형 태양전지에 적합한 물질이며 페로브스카이트 태양전지는 두 개의 양이온(A,B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 페로브스카이트(ABO3) 구조를 지니는 화합물을 광흡수층으로 이용하는 태양전지를 일컫는다.
에너지연은 세계 최고 수준의 유연 CIGS 박막 태양전지 기술과 페로브스카이트 태양전지 기술을 보유하고 있으며 이를 접합한 4단자형* 페로브스카이트, CIGS 탠덤 태양전지로 24.5%의 고효율도 달성한 바 있다.
이 외에도 태양광 분야의 우수 연구 성과가 PV 매거진 등 해외 저명 매체를 통해 수 차례 보도돼 기술력을 세계적으로 인정받고 있으며 컨소시엄의 요청을 받아 참여를 결정했다.
4단자형이란 탠덤 태양전지 구조에 관련된 용어. 상하부셀이 일체형으로 제작돼 2개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 2단자형, 상하부셀이 독립적으로 작동해 총 4개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 4단자형이라고 한다.
특히 컨소시엄에 함께 참여하는 HZB는 에너지연과 지난 10여 년간 박막 태양전지, 우주용 경량 태양전지 등의 분야에서 인력교류, 논문 공동게재 등을 통해 파트너쉽을 축적해 왔으며 이번 컨소시엄에서도 하부셀 고도화와 상부셀 적층기술 개발을 위해 협업할 예정이다.
이창근 에너지연 원장은 “국가전략과 정책방향에 부응하는 이번 호라이즌 유럽 협력사업을 통해 글로벌 TOP기관인 HZB를 비롯한 유럽 선도기관들과 네트워크를 강화하고 탄소중립 기술혁신에 기여하겠다”라며 “이를 계기로 한국-유럽 협력관계를 공고히 하고 HZB와도 수소, 이차전지, 촉매 분야 등을 포함한 청정 에너지 기술 전반으로 업무협력 네트워크를 확장하고 발전시킬 계획”이라고 전했다.
컨소시엄에 참여하고 있는 곽지혜 에너지연 태양광연구단장은 “태양광 기술은 탄소중립 구현에 가장 중요한 분야로 중국의 경쟁과 기술적 제약, 다양한 응용 분야에서의 필요성 등을 고려해 과기정통부의 '탄소중립 기술혁신 추진전략'에서 핵심기술로 지정된 바 있다”라며 “이번 협력 사업은 고성능, 초경량, 유연 다중접합 태양전지 기술을 개발해 민간과 국방·우주·항공 분야를 포함한 다양한 분야에서 활용돼 차세대 태양광 시장 개척의 시금석이 될 것”이라고 포부를 밝혔다.
한편 에너지연과 HZB는 추후 양자 간 업무협약으로 보다 구체화된 기술개발 협업체계 방안을 마련해 실질적인 협력을 강화해 나갈 예정이다.