소형 계산기 가운데 건전지를 사용하지 않는 종류가 있다. 자세히 보면 계산기가 햇빛을 받으면 전기를 발생하는 장치인 태양전지가 부착돼 있다. 고속도로 가장자리에 있는 노란 긴급전화기 위에도 태양전지가 설치돼 있다. 낮 동안에는 햇빛에서 만든 전기를 축전기에 저장했다가 밤이 되면 저장된 전기를 사용할 수 있다.
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 능력인 ‘에너지 변환효율’이 중요하다. 고속도로의 긴급전화기나 소형 계산기에 흔히 쓰이는 태양전지는 실리콘 태양전지로 1954년부터 연구돼 지금은 20% 정도 변환효율을 보이고 있다.
에너지 변환효율이 100%인 태양전지는 만들 수 없을까. 그렇다면 인류는 무공해 에너지원을 확보하는 셈이다.
요즘에는 광합성의 원리를 이용하는 태양전지가 등장하고 있다. 광합성은 나뭇잎의 엽록소란 색소가 빛을 받아 전자를 만들고 이 전자를 이용해 물과 이산화탄소를 포도당으로 만드는 과정이다. 이와 비슷하게 이산화티탄이란 물질 표면에 엽록소 역할을 하는 색소(염료)를 붙여 빛을 쪼이면 전자가 발생한다. 염료를 물질의 표면에 많이 붙이면 많은 전자를 얻을 수 있어 전기도 많이 발생시킬 수 있다.
어떻게 하면 염료를 많이 붙일 수 있을까. 입자를 매우 잘게 쪼개 미세한 크기로 만드는 방법이다. 그러면 입자의 표면적이 늘어 많은 양의 염료를 붙일 수 있다. 이렇게 탄생한 것이 ‘인공광합성 태양전지’다. 재료도 인체에 해롭지 않고 값도 매우 싸기 때문에 차세대 태양전지로 손색이 없다. 에너지 변환효율이 아직까지는 10% 정도지만, 다양한 기술이 적절히 적용되면 30% 이상도 가능할 수 있다.
예를 들어 입자를 수 nm(나노미터·1nm은10억분의 1m) 크기로 매우 작게 만들면 양자효과라는 특수한 성질이 나타나는데, 이 효과를 이용한 태양전지는 이론적으로는 효율이 60% 이상이 된다고 한다. 양자효과와 광합성원리가 만나면 어떻게 될까.
새롭게 등장하는 태양전지 기술과 적절히 융합되면 값싸면서 변환효율이 100%인 태양전지가 가능하지 않을까.
박남규 한국과학기술연구원(KIST) 재료연구부 책임연구원 npark@kist.re.kr