핀란드 알토대학(Aalto University)의 Peter Lund 교수는 태양에너지의 이용은 빠르게 증가하고 있으며, 2050년까지 태양발전은 전세계 전기사용량의 1/4을 차지하게 될 것이라고 예상하였다. 태양에너지는 효율 개선 및 태양전지 가격 하락으로 대중적인 인기를 얻고 있다.

핀란드 아카데미(Academy of Finland)의 Sustainable Energy Research Programme을 통해 Lund 교수의 연구팀은 3세대 태양전지를 개발 중이다. 이들의 목적은 재생가능에너지 활용을 위한 대규모 솔루션을 개발하는 것이다.

Lund 교수는 “이번 연구는 미래 에너지가 풍력이나 태양광과 같은 재생가능 에너지를 통해 얻어질 것이라는 예측으로 시작되었다. 이러한 예측을 현실화하기 위해 우리는 대량 생산에 적합한 에너지 기술의 개발과 유연성 있는 에너지 생산을 용이하게 해 줄 수 있는 에너지 시스템의 개선이 필요하다고 생각하였다”고 밝혔다.

3세대 태양전지는 천연 광합성(Photosynthesis) 현상을 모방하였기 때문에 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell)라고 불린다. 이들 3세대 전지의 장점은 사용되는 기본 물질의 가용성이 우수하며, 쉽게 제작할 수 있다는 것이다. 또한 재료 및 생산 방법이 경제적이다. 지난 2010년 Michael Gratzel은 이 염료감응 태양전지를 개발하여 핀란드 밀레니엄 기술상(Millennium Technology Prize)을 수상하기도 하였다.

Lund 교수는 “염료감응 태양전지는 실험실 규모에서 매우 희망적이다. 이들은 10% 이상의 효율을 보여주고 있다. 그러나 염료감응 태양전지를 대량생산하기 전에 해결되어야 할 많은 문제들이 있다”고 밝혔다. 이들의 현재 연구에는 사용되는 재료, 다른 나노구조 및 고체상태 전해질(Solid-state Electrolyte) 등이 포함되어 있다.

또한 연구팀은 시간이 지남에 따라 전지 효율을 저하시키는 메커니즘을 확인하고 있다. Lund 교수의 연구진이 개발하고 있는 플라스틱 및 금속에 연결된 플렉시블 태양전지(Flexible Solar Cell)는 대량 생산에 가장 적합할 것으로 보인다.

그는 “연구팀은 다른 분야 중 탄소 나노구조를 활용하는 방안을 추진하였다. 우리는 금속박(Metal Foil)이나 플라스틱 위에 셀을 제조할 수 있으며, 효율은 6% 이상이다. 이러한 결과는 매우 우수하다고 볼 수 있다”고 설명하였다. 탄소 나노구조를 활용하여 고가 금속으로 만들어지는 촉매를 사용할 필요가 없게 되었다.

Lund 교수는 “연구팀은 태양광이나 풍력의 현재 최대 생산량을 2~3배 증가시킬 수 있는 방안을 모색하고 한다. 이러한 노력이 성공적인 결과를 보여준다면 전체 에너지 시스템을 새롭게 개혁할 수 있을 것이다. 난방, 공기조절 및 수송 등을 연계하여 지금보다 개선된 에너지 시스템의 미래 모습을 제시할 수 있다”고 말했다. 그는 “예를 들어, 전기와 열 생산을 병합하여 헬싱키가 풍력을 사용하여 필요로 하는 전력의 약 75%를 생산할 수 있을 것이다.

풍력발전 생산용량을 크게 확대하여 바람이 많이 불지 않는 날에도 충분한 전기를 생산할 수 있다면 가능할 것이다. 또한 아주 강한 바람이 부는 날에는 전기를 열로 전환하여 지역난방 네트워크에 전달할 수 있다”고 덧붙였다.

연구팀은 이러한 이슈와 관련하여 국제 협력에도 참여하고 있다. 예를 들어, Lund 교수의 연구팀은 상해(Shanghai)나 뭄바이(Mumbai)를 어떻게 태양에너지 도시로 변환할 것인가에 대한 방안을 도출하는데 기여하고 있다. 이러한 주제로 칠레에서는 핀란드-칠레 공동 연구가 진행되고 있기도 하다. 핀란드 아카데미는 이번 연구에 대한 일부 재정적 지원을 하고 있다.

 

 

 

 

The use of solar energy is increasing rapidly, and by 2050, the share of solar electricity may even represent one fourth of all the electricity used worldwide," predicts Professor Peter Lund of Aalto University. Solar energy is gaining in popularity primarily due to the improved efficiency and reduced cost of solar cells. Within the Academy of Finland's Sustainable Energy Research Programme, Lund's research team is working on developing third generation solar cells. The aim is to produce large-scale solutions for the utilisation of renewable energy.
 

"The motivation for the research is the idea that the majority of our energy could, in the future, be provided by renewable energy sources, such as solar and wind power. In order to realise this ideal, we need energy technology that is suitable for industrial mass production and improvements in the energy system that would facilitate diversified and flexible energy production," says Peter Lund.

Third generation solar cells are so-called dye-sensitized solar cells that emulate natural photosynthesis. The advantage of these cells is that the basic materials used in them are readily available and the cells are simple to build. Furthermore, the materials and production methods are inexpensive. In 2010, Michael Gratzel was awarded the Millennium Technology Prize for the invention of the dye-sensitized solar cell.
 

"The dye-sensitized solar cell is a very promising product and, in a laboratory environment, it has been shown to produce an efficiency rate of more than 10 per cent. There are, however, still many questions that need answering before this product is ready for mass production," states Lund. The current areas of study include the materials to be used, different nanostructures and solid-state electrolytes. Researchers are also looking to clarify the mechanisms that weaken the efficiency of the cell over time.
 

Flexible solar cells bonded to plastic or metal, the type that the Lund group is currently researching, would appear to be most suitable for mass production. "We have been pioneers in, among other areas, the utilisation of carbon nanostructures. We are able to build a permanent cell on metal foil or plastic with an efficiency of more than 6 per cent. This result is truly exceptional."

The use of carbon nanostructures in the cell will eliminate the need for any catalysts made from precious metals. Inexpensive metals are vulnerable to corrosion and they often are characterised by a low charge transfer capacity, in other words, poor efficiency.