월간전기



『신기술 2』 재생에너지 산업의 경쟁력 높인다

2024-03-14

재생에너지 산업의 경쟁력 높인다 태양광 발전과 청정 암모니아 생산기술 고효율성과 안정성을 높인 반투명 페로브스카이트 태양전지 기술을 확보하게 됐다. 향후 탄소중립 태양광 기술의 핵심인 창호용 태양전지 및 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 기술 진보에 기여하게 됐다. 그동안 중국이 선점한 실리콘 태양전지 시장에서 태양광 신사업 창출 및 국내 태양광 산업 경쟁력을 높였다고 평가하고 있다. 또한 합성 비료의 원료로 인류의 식량문제 해결에 크게 기여한 암모니아(NH3)가 최근 들어 다시 떠오르고 있다. 친환경 연료인 수소를 저장, 운반해줄 수단이자 무탄소 연료로 주목받고 있기 때문이다. 암모니아 생산 기술은 해외 주요 플랜트 기업이 독점하고 있고, 우리나라는 암모니아를 100% 수입하고 있어 관련 연구가 절실한 상황이다. 정리 편집부 자료 한국에너지기술연구원 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 태양광연구단은 에너지AI·계산과학실과 협업을 통해 건물 창문이나 탠덤 태양전지1)에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선하는데 성공했다. 개발한 태양전지는 21.68%로 반투명 태양전지 분야 세계 최고 효율을 달성했으며, 240시간 이상의 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 뛰어난 안정성까지 보였다. 반투명 페로브스카이트 태양전지를 햇빛에 비추어 보는 모습 반투명 페로브스카이트 태양전지의 난제 해결 2050 탄소중립 달성을 위한 차세대 태양전지 기술의 핵심은 경쟁력에서 우위를 갖는 ‘초고효율화 달성’과 제한적인 설치장소, 국토면적을 극복하기 위한 ‘적용처 확대’다. 이를 위해서는 탠덤 태양전지, 창호용 태양전지와 같은 고효율, 다기능성 기술이 필요한데, 두 기술에는 모두 효율과 안정성이 우수한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 사용되고 있다. 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛을 통과시키는 투명전극으로 바꿔야 한다. 이 과정 중 고에너지 입자가 발생해 정공수송층의 성능이 저하되는데, 이를 막기 위해 정공수송층2)과 투명전극층 사이에서 완충 역할을 하는 금속산화물층을 만드는 것이 일반적이다. 다만, 동일 조건에서 제작된 불투명 태양전지에 비해 전하의 이동성과 안정성이 떨어지며 정확한 원인과 해결책도 규명되지 않았다. 금속산화물층 열화현상 최초 규명해 연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작 시 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하의 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다. 이를 통해 정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산되고, 결국 특성을 저하시키는 전자 구조로 변화된다는 것을 규명했다. Advanced Energy Materials 2024년 12월 표지 (Outside Front Cover): 고효율/고안정성 반투명 페로브스카이트 태양전지가 건물의 창호로 적용되어 실내전자 기기에 전원 공급하는 모습을 형상화 또한 연구진은 원인규명을 넘어 정공수송층의 산화시간을 최적화해 문제를 해결했다. 산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬산화물(LixOy)로 변환되면 리튬이온의 확산을 차단시켜 소자의 안정성을 높이는 것을 확인했다. 그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혀낸 것이다. 이를 통해 개발한 반투명 페로브스카이트는 태양전지는 투명전극을 사용하는 페로브스카이트 태양전지 중 세계 최고 효율인 21.68%를 기록했다. 또 400시간의 장기 보관 조건과 240시간 이상의 작동 환경에서도 모두 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 효율과 안정성 모두 사로잡은 연구결과라 할 수 있다. 연구진은 더 나아가, 개발한 태양전지를 탠덤 태양전지의 상부셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했다. 주성엔지니어링㈜, 독일 율리히 연구소와 협력해 제작한 양면수광형 탠덤 태양전지는 후면3)에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형 31.5%, 2단자형4) 26.4%의 높은 기대효율5)을 달성했다. 저비용 청정 암모니아 공급망 구축 기대 암모니아는 해외로부터 대량의 청정수소 도입 시 가장 경제적이고 친환경적인 수소 캐리어로 주목받고 있다. 암모니아는 액체 수소 대비 단위 부피당 1.7배 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 조선해운, 발전산업 등의 탈탄소를 위한 무탄소 연료이다. 암모니아를 생산하는 기술은 해외 주요 플랜트 기업이 독점하고 있으며, 국내에서는 암모니아를 생산할 수 있는 촉매, 공정 등의 기술을 보유하고 있지 않다. 해외 암모니아 연료 공급망 구축 동향 청정 암모니아를 저렴하게 생산할 수 있는 차세대 기술을 선점하기 위하여 일본 경제산업성 산하 NEDO는 그린 이노베이션 기금을 활용하여 2021년부터 ‘청정 암모니아 연료 공급망 구축’과제를 지원하고 있으며, 과제 주요 목표 중 하나는 저압·저온 암모니아 생산 촉매 및 공정 기술 개발을 통해 운영비(OPEX) 15% 이상 줄이는 것이다. 또한, 미국 에너지 혁신 프로그램(ARPA-E)에서도 동일한 목표로 과제를 지원한다. [그림 3] 촉매 생산 과정 및 촉매 제 100% 암모니아 해외의존도 낮출 수 있어 현재의 기술로 청정 암모니아를 생산하여 수소 캐리어 및 연료로 활용하면 경제성을 확보하기 어렵다. 따라서 기존 하버-보슈6) 공정 대비 낮은 압력과 낮은 온도에서 암모니아를 생산할 수 있는 촉매와 공정 기술이 개발되면 청정 암모니아 생산 시 반응기, 압축기 등의 시설 투자비와 운전비를 크게 줄일 수 있다. 세계 최고 수준의 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다. 하루에 1kg의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축하였으며, 50bar의 저압과 400oC 이하의 저온에서 고순도 (>99.9%) 암모니아 생산 실증에 성공했다. 청정 암모니아 기반으로 수소 저장, 운송 기술, 조기 상용화와 저비용 청정 암모니아의 공급망을 구축할 수 있다. 청정 암모니아 생산기술의 국산화를 통해 해외 의존도를 낮추고 국내 수전해 기술과 연계한 우리의 수소 저장 및 무탄소 연료 생산 기술로의 해외 시장 진출을 기대할 수 있다. [그림 4] 하루 1kg 암모니아 생산 공정 촉매 성형법 개발 성공 세계 최고 수준의 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다. 하루에 1kg의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축하였으며, 50bar의 저압과 400oC 이하의 저온에서 고순도 (>99.9%) 암모니아 생산 실증에 성공한 것이다. 질소(N2)와 수소(H2)로부터 저비용으로 암모니아를 생산할 수 있는 합성 촉매 및 공정 기술이 필요하다. 저압·저온에서 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매의 합성, 양산 및 성형 기술을 개발했다. 개발 촉매를 적용한 고효율 암모니아 생산 공정 기술이면서, Ru 촉매를 대량 생산할 수 있는 양산법과 제품화할 수 있는 촉매 성형법을 개발했다. 수소/질소 혼합 및 압축기, 반응기, 냉각분리, 암모니아 저장으로 1kg/day 암모니아 생산 시스템 구축이 가능하다. 생산한 촉매 성형체를 암모니아 생산 시스템에 적용하여 암모니아 생산 실증에 성공했다. 기술의 주요 내용 및 특징 세계 최고 수준의 Ru 기반 암모니아 합성 촉매를 양산할 수 있는 제법을 완성하였으며, 제품화를 위한 촉매 성형에 성공했다. 성형 촉매를 사용하여 기존 하버-보슈 압력 대비 1/3인 50bar의 저압에서 하루 1kg의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 실증에 성공했다. 암모니아 생산 규모 스케일업 연구를 수행 중이며, 2026년까지 파일럿 규모인 50kg/day까지 스케일업 예정이다. 암모니아 생산 비용을 보다 더 낮추기 위해서 암모니아 분리 비용을 줄일 수 있는 소재 및 공정 기술을 개발 중이다. 기술의 차별성은 기존 기술은 150bar, 400oC 이상의 고압 고온에서 철 촉매를 사용하여 암모니아 생산했다. 다단 고압 압축기, 비싼 반응기 사용 등 높은 투자비와 운전비가 있었다. 개발된 기술은 150bar, 400oC 이상의 고압 고온에서 철 촉매를 사용하여 암모니아를 생산한다. 다단 고압 압축기, 비싼 반응기 사용 등 높은 투자비와 운전비를 크게 낮출 수 있다. 저압 암모니아 실증까지, 청정 암모니아 적용 분야 다양해 TRL 4 수준으로 실험실 규모의 암모니아 생산 실증이 성공했다. 촉매 양산기술과 촉매 성형 기술을 확보하였으며, 촉매 성능 향상을 위해 연구했다. 2024년 TRL 5의 10kg/day 저압 암모니아 생산하고 실증했다. 기술의 응용분야는 그린수소 암모니아 전환 저장 및 운송이 가능해진다. 청정 암모니아는 선박연료, 발전연료로 사용될 수 있다. 적용제품은 수전해 연계 암모니아 생산, 암모니아 혼소/전소 발전과 암모니아 직접연료전지 및 암모니아 가스터빈 연료, 선박 연료로 사용한다. 1) 탠덤 태양전지는 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 상/하로 적층해 빛의 이용률을 높인 태양전지. 기존 단일접합 태양전지의 이론 효율 한계를 돌파할 수 있는 기술이다. 2) 정공수송층: 태양전지 소자에서 빛을 받아 페로브스카이트층에서 생성되는 전자와 정공 중 ‘정공’을 전달하는 역할을 하는 층이다. 3) 후면반사: 양면수광 태양전지의 후면으로 들어오는 빛의 양을 나타내는 인자. 후면반사 20%는 전면에서 입사하는 1 Sun의 표준 광량 대비 후면에서 입사하는 광량이 20% (0.2 Sun)임을 의미한다. 4) 4단자형/2단자형: 탠덤 태양전지 구조에 관련된 용어. 상하부셀이 일체형으로 제작되어 2개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 2단자형, 상하부셀이 독립적으로 작동해 총 4개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 4단자형이라고 한다. 5) 기대효율: 양면수광 태양전지의 성능을 나타내는 지표. 전면/후면 효율 또는 출력의 합으로 나타냄. 현재 양면수광형 태양전지 세계 최고 기대효율은 동일 후면반사 조건에서 4단자형 30%, 2단자형 27% 수준이다. 6) 하버-보슈 공정: 천연가스를 열분해해서 추출한 수소와 대기 중의 질소를 반응물로 해 고온(400oC 이상), 고압(150bar 이상)의 조건에서 철 촉매를 이용해 암모니아를 대량 생산해낼 수 있는 공정으로 두 화학자의 이름을 따서 ‘하버-보슈법’이라고 명명한다. < Energy News >