화학 뉴스 페로브스카이트 태양 전지 상용화에 한 걸음 다가가다

페로브스카이트 태양 전지는 결정 구조가 특정한 광전 형태를 띠는 페로브스카이트 화합물을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양 전지이다. 연구진이 소재의 수분 약점과 열화 현상을 극복하는 모듈화 기술을 구현함에 따라 페로브스카이트 태양 전지의 상용화 가능성이 크게 높아졌다. 이 기술은 기존 실리콘 태양 전지보다 저렴한 비용으로 높은 전력 변환 효율을 제공하여 에너지 시장의 판도를 바꿀 핵심 대안으로 평가받는다.

페로브스카이트 태양 전지란 무엇인가

페로브스카이트 태양 전지는 금속과 할로겐 원소가 결합한 입체적 결정 구조를 물질로 활용하여 빛을 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 페로브스카이트 소재는 빛을 흡수하는 계수가 매우 높아 매우 얇은 두께로도 높은 효율의 광전 효과를 낼 수 있다. 기존의 실리콘 태양 전지가 고온의 공정을 거쳐 두꺼운 기판을 만들어야 하는 것과 달리, 페로브스카이트는 용액 공정을 통해 용액을 용기에 넣고 인쇄하듯 저렴하게 제작할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 가볍고 유연한 기판 위에도 제작이 가능하여 건물 외벽이나 차량용 루프 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

페로브스카이트 태양 전지의 효율은 어느 정도인가

페로브스카이트 태양 전지의 연구실 기준 최고 광전 변환 효율은 2024년 기준 26%를 넘어서며 기존 단결정 실리콘 태양 전지의 최고 효율에 바짝 다가섰다. 초기 페로브스카이트 태양 전지의 효율이 3.8% 수준에 불과했던 점을 감안하면 유례없이 빠른 발전 속도이다. 실리콘 태양 전지와 페로브스카이트 태양 전지를 위아래로 겹친 '텐덤 태양 전지'의 경우 이론적 한계 효율이 44%에 달하며, 최근 실증 단계에서 33% 이상의 효율을 기록했다. 이는 단일 접합 태양 전지가 가진 물리적 한계를 극복하는 핵심 기술로 평가받는다.

상용화를 가로막던 내구성 문제는 어떻게 해결했는가

연구진은 페로브스카이트 결정 내부에 발생하는 미세 결함을 화학적 첨가제로 메우는 자가 치유 기술을 적용하여 수분과 열에 대한 안정성을 크게 향상시켰다. 페로브스카이트 소재는 습기, 자외선, 열에 대단히 약하여 공기 중에서 빠르게 분해된다는 치명적인 단점이 있었다. 공정 과정에서 특수 유기 분자를 투입해 결정 입계 사이의 결함을 봉쇄하고, 결함 지점에서 시작되는 열화 현상을 차단하는 표면 개질 기술이 개발되었다. 그 결과 연속 작동 환경에서도 1,000시간 이상 초기 효율의 90% 이상을 유지하는 결과가 입증되었다.

대면적 모듈 제작은 어떻게 진행되고 있는가

페로브스카이트 태양 전지를 대형화하기 위해 균일한 박막을 넓은 면적으로 도포하는 대면적 슬롯다이 코팅 및 레이저 패터닝 기술이 적용되고 있다. 실험실 연구용 태양 전지는 1제곱센티미터 미만의 작은 크기에서 고효율을 내지만, 면적이 넓어질수록 저항이 증가하고 박막의 균일성이 떨어지는 문제가 발생한다. 정밀한 화학 용매 제어 기술과 특수 분사 장치를 도입하여 대형 유리 기판 위에서도 박막 두께의 오차를 최소화하는 기술이 개발되었다. 상용 상용화 단계의 핵심인 모듈 단위에서도 20% 이상의 효율을 안정적으로 확보하는 연구 결과가 꾸준히 보고되고 있다.

상용화를 위해 해결해야 할 남은 과제는 무엇인가

페로브스카이트 태양 전지가 완전히 상용화되기 위해서는 양산 공정에서의 수율 확보와 납 성분을 대체할 친환경 소재의 개발이라는 과제가 남아있다. 현재 고효율을 내는 페로브스카이트 화합물에는 소량의 중금속인 납이 포함되어 있어, 모듈 파손 시 발생할 수 있는 환경 오염에 대한 우려가 존재한다. 납을 주석이나 비스무트 등 무독성 금속으로 대체하려는 연구가 지속되고 있으나, 아직 납 기반 화합물 수준의 효율과 안정성을 달성하지는 못했다. 수십 년 이상의 수명을 보장해야 하는 외부 실증 데이터 확보와 저비용 대량생산 라인 구축의 기술적 완전성을 확보하는 것이 상용화의 마지막 관건이다.