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by Pluto Labs Nov 19. 2022

재생 가능 에너지와 기후 변화 vol.4

Solar energy

We have this handy fusion reactor in the sky called the sun, you don't have to do anything, it just works. it shows up every day [1]

이번 편 에서는 6개의 재생 가능 에너지 중 최근 빠른 발전세를 보이고 있는 태양 에너지에 대해 알아본다. 태양 에너지는 과연 어느 기관에서 선도하고 있을까?

기관별 연구 성과

아래 영상은 기관의 연도별 태양 에너지 논문수와 피인용수를 나타낸 그래프이다. 점의 색은 주요 국가를 나타낸다.

기관별 태양 에너지 연구 추이[2]

영상을 보면 미국과 중국의 기관이 가장 많이 분포한다. 2000년부터 2008년까지 미국의 기관들이 태양 에너지 연구를 선도하였다. 이후 2008년부터 중국 기관이 출현하기 시작하며 2012년 이후에는 미국보다 많은 기관들이 본격적으로 연구에 참여하기 시작했다. 저번 편에서 알 수 있듯 2008년은 중국의 재생 가능 에너지 연구량이 세계 3위를 차지한 해이며, 2012년은 미국 전체 연구량의 50%를 따라잡은 해이다.

2021년까지 누적된 연구 성과를 보면 미국에 속한 기관들은 작성한 논문에 비해 높은 인용수를 받아 좋은 실적을 보이고 있다. 한편 중국은 미국보다는 상대적으로 낮은 인용수를 받고 있지만, 상대적으로 많은 논문을 매년 출판하여 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그 외에도 영국, 한국, 일본 등 다양한 국가들의 기관이 태양 에너지 연구에 일조하고 있다는 것을 알 수 있다.

원점에서 가장 멀리 떨어진 4개 기관은 다음과 같다.

태양 에너지 연구 상위 4개 기관 목록

연구를 선도하는 상위 4개 기관은 정부 기관과 교육 기관으로 나누어진다. 정부 연구 기관은 미국과 중국의 기관이 있는 것을 알 수 있다. 국립 재생 가능 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)는 미국 에너지부 산하기관이며, 재생 가능 에너지를 중점적으로 연구하고 개발하는 기관이다. 중국과학원(Chinese Academy of Sciences, CAS)은 1949년 11월에 설립된 장관급 국가 기관으로 중국 내 자연과학과 과학기술 분야의 최대 규모 종합 연구 기관이다.

위 두 기관은 국가 산하 기관인 만큼 연구에 쏟는 재정도 막대하다. NREL의 2022년 예산은 약 4억 4000만 달러가 편성[3]되어 있으며, 중국 과학원의 2022년 총예산은 1600억 위안으로 이 중 과학기술 지출은 약 1000억 위엔이다. [4] 저번 편에서 보았듯 연구수 상위 1,2위 국가인 중국과 미국의 재생 가능 에너지에 대한 연구는 국가의 지원이 전폭적으로 이루어진다고 추측된다.

교육기관의 경우 호주의 뉴 사우스 웨일즈 대학교(University of New South Wales, UNSW)와 스위스의 로잔 연방 공과대학교(École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL)가 있다. 뉴 사우스 웨일즈 대학교는 2차 세계대전 이후 호주 정부에서 전략적 공학 연구를 위해 만든 공과대학이다. 로잔 연방 공과대학교는 스위스 로잔에 위치한 이공계 연구중심대학이다. 세계 최고의 공과대학교 중 하나라고 불리며, 세계경제포럼이 선정한 세계 최상위 26개 대학 중 하나이다. [5]

2021년 기준으로 로잔 연방 공과대학은 중국과학원에 비해 태양 에너지 연구량은 29% 정도지만, 논문 한편당 피인용수는 약 10배 많다. 즉, 논문의 질은 중국과학원에 비해 월등하다고 말할 수 있다.

3세대 태양 전지

다음으로 태양 에너지의 연구 동향에 대해서 알아보자. 태양 에너지를 전력으로 활용하는 핵심 기술인 태양 전지는 크게 3개의 세대로 분류할 수 있다. 결정질 실리콘의 태양전지(1세대), 박막 태양전지(2세대) 그리고 3세대 태양전지로 구분된다. 아직까지 태양 전지 시장에서는 1세대인 결정질 실리콘 태양전지가 대부분 점유하고 있다. 3세대 태양전지는 크게 염료 감응형 태양전지 (Dye-sensitized solar cell, DSSC)와 유기 태양전지(Organic Photovoltaic, OPV), 페로브스카이트(Perovskite solar cell, PSC)로 분류한다.

3세대 태양 전지 연구 추이

3세대 태양 전지의 출판 추이를 보면 페로브스카이트가 가장 주목받고 있다. 페로브스카이트는 주로 강유전체, 압전체, 초전도체 등으로 연구가 진행되어 오다 2009년 일본의 토인 요코하마 대학교의 Tsutomu Miyasaka 교수팀이 처음으로 태양전지에 적용하여 3.8% 효율을 달성하며 개발이 시작되었다. 이후 2012년 성균관대학교의 박남규 교수 연구팀에서 9.7%의 효율을 달성하며 주목받기 시작하였다. 해당 연구는 각 저자가 출판한 논문 중 가장 높은 피인용수를 기록하였다.

올해 국내에서는 박남규, 권석준, 양철웅 교수 연구팀은 결정 패시터의 광전류 생성 차이 규명을 통해 24.64% 효율을 달성하였다. 결정 패시터 (110)으로 구성된 페로브스카이트 태양전지는 21.67%를 보인반면, 광전류 생성이 우수한 (100)과(111) 패시터로 구성된 페로브스카이트 필름 기반의 태양전지는 24.64%의 효율을 보였다.

현재 페로브스카이트의 기술 발전은 매우 빠르다. 실리콘 태양전지의 전력 변환효율은 개발이래 약 40년간 약 26.1%에 그친 반면 페로브스카이트 태양전지는 현재 약 26%의 효율 개선을 달성했다. 또한 실리콘 태양전지의 전력 변환효율은 와트당 0.5~1달러지만, 페로브스카이트 태양전지는 약 0.3달러 수준으로 30%~70%의 비용이 절감된다. 뿐만 아니라 제조공정이 간단하고 소재가 유연하여 건물이나 자동차 등에 부착 활용성이 높다는 장점이 있다.

하지만 단점도 존재한다. 현재 페로브스카이트는 내구성 문제와 고품질의 대면적 박막 형성 기술이 부족하다는 보고가 있으며, 태양전지 내 납(Pb) 존재로 인해 환경 문제 등이 공존한다. 하지만 그럼에도 불구하고 페로브스카이트는 저렴한 비용과 유연성, 쉬운 제조 공정 등으로 활발한 연구가 이루어지고 있다.

이상으로 재생 가능 에너지를 선도하고 있는 기관과 기술에 대해 알아봤다. 현재 태양 에너지 연구를 선도하는 기관은 로잔 연방 공과대학과 뉴 사우스 웨일즈 대학교, 중국 과학원 그리고 미국의 재생 가능 에너지연구소이다. 그리고 페로브스카이트를 태양 전지와 함께 처음 연구한 토인 요코하마 대학교와 이를 개선시킨 국내의 성균관대학교 연구진의 연구 성과도 주목할 만하다. 국가 관점으로는 미국과 중국이 선도하고 있으며, 미국이 중국에 비해 논문의 양은 적지만 피인용수가 높아 좋은 연구 성과를 보이고 있다.

▷다음 편에서는 풍력 발전 연구를 어느 기관에서 이끌고 있는지 알아보겠습니다.

▷이전 편 : 재생 가능 에너지와 기후 변화 vol.3

Reference

[1] Elon Musk, CEO Tesla Motors

[2] 해당 영상은 Flourish의 툴을 사용하여 만든 영상입니다.

[3] FY 2022 Department of Energy's Budget Request to Congress

[4] 中国科学院， 2022年部门预算

[5] World Economic Forum

[6] Best Research-Cell Efficiencies 2018, NREL

커버 이미지는 Pixabay로부터 입수된 WikiImages님의 이미지입니다.