■ 차세대 태양 전지, 광전 효율 25.6% 새 소재 개발

■ 차세대 태양 전지, 광전 효율 25.6% 새 소재 개발

 

● 페로브스카이트(perovskite)는 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된 광물에 붙여진 이름이다. 19세기 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovsky 1792-1856)의 이름을 따서 만들어졌다. 산화 칼슘 티타늄인 이 광물은 양이온과 음이온을 구성하는 원소에 따라 성능이 달라지며, 반도체의 성질을 띤 것이 태양광, 발광다이오드(LED), 메모리, 센서 등에 적용될 수 있다.

 

● 페로브스카이트가 태양광 발전에 유리한 3가지 장점

 

★ 첫째, 비용이 저렴하다. 기존의 실리콘 태양 전지판은 역설적이게도 이산화탄소 배출의 주범이다. 태양전지판에 쓸 고순도 실리콘을 얻기 위해서는 모래(석영)를 전기 아크로에 넣고 1500-2000도의 열을 가해야 하기 때문이다. 페로브스카이트는 가공법에 따라 130-400℃에서 가공이 가능하다. 폴리실리콘보다 전자의 이동이 쉬워 기존 태양광 패널보다 20-500배까지 얇게 만들 수 있다. 그만큼 원재료가 적게 들어간다는 뜻이다. 이처럼 가공 비용과 재료비를 아낄 수 있기 때문에 원가는 기존 대비 최대 8분의 1수준으로 떨어진다. ★ 두 번째, 높은 발전 효율이다. 약 60년 동안 개발된 다결정(Multi) 폴리실리콘 태양전지의 효율은 23.4%, 고효율 태양광 셀에 사용되는 단결정(Mono) 폴리실리콘은 26.1%의 효율을 보이고 있다. 그런데, 페로브스카이트는 2009년 첫 연구 당시 3.8%의 효율에서 2020년 25.5%까지 급격히 발전했다. 페로브스카이트와 폴리실리콘을 결합한 탠덤 태양전지는 29.1%에 달한다. 업계에서는 페로브스카이트 단독 태양전지의 한계 효율은 38.7%, 탠덤 태양전지는 43% 효율까지 끌어올릴 수 있을 것으로 내다보고 있다. ★ 세 번째, 반투명성과 유연성이다. 지금까지는 건물 옥상이나 사막, 산을 깎아 만든 얕은 경사면 등에 태양광 패널을 설치해야 했지만, 얇고 투명한 페로브스카이트는 어디에나 코팅해 태양광 발전을 할 수 있다. 심지어 건물 외벽은 물론 자동차 외부, 심지어 스마트폰 화면과 케이스를 이용해서도 가능하다.

 

● 상상이 현실이 되기까지 넘어야 할 3가지 문제점

 

업계에선 페로브스카이트 태양전지가 우리 일상을 파고드는 상용화 시점을 2025년 전후로 내다보고 있다. 그동안 페로브스카이트 태양전지가 단기간에 고효율을 달성할 수 있었던 것은 실험실 수준에서도 용액을 기반으로 손쉽게 제작이 가능하여 큰 투자 없이도 쉽게 참여할 수 있었기 때문이다. ★ 하지만, 첫 번째 문제점은 제품을 만들기 위해서 실험 단계의 소면적(1㎠)이 아닌 대면적(250㎠ 이상)에서 동일한 효율을 구현해내야 한다. 대면적 셀의 효율은 16% 수준인 것으로 알려졌다. 하지만, 이 또한 하루가 다르게 발전하고 있다. 한국화학연구원은 2020년 11월 20㎠의 유연한 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20.7%까지 끌어올리는 데 성공했다. 딱딱한 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 25%를 넘어섰지만, 유연한 페로브스카이트 제품은 세계적으로 20.7%를에 머물고 있다. ★ 둘째 문제점은 수명이다. 페로브스카이트는 유기물이 포함돼 있기 때문에 자외선과 수분에 취약하다. 이에 업계에선 코팅 처리나 첨가제를 사용해 안정성을 높여가고 있다. 실제로 영국의 옥스포드PV, 한국 유니테스트, 중국 GCL 등이 올해와 내년에 상업 생산에 돌입할 것으로 예상된다. 한화큐셀과 LG전자 등 태양전지 분야 글로벌 선두를 달리고 있는 국내 업체들도 상용화에 힘을 쏟고 있다. ★ 셋째 문제점, 중금속 물질인 납 성분에 대한 우려도 존재한다. 페로브스카이트를 구성하는 물질 중에 납이 들어가는데, 이는 현재 주석, 나트륨, 비스무트 등의 물질로 대체하는 연구가 진행되고 있다. 또 납 회수 기술력도 99.7%까지 끌어올려 위험성을 낮춰가고 있다.

 

★ 실리콘 태양 전지판은 역설적이게도 이산화탄소 배출의 주범이다. 태양전지판에 쓸 고순도 실리콘을 얻기 위해서는 모래(석영)를 전기 아크로에 넣고 1500∼2000도의 열을 가해야 하기 때문이다. ★ 세계가 3세대 페로브스카이트 태양전지에 주목하는 이유는 광전 변환 효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)이 실리콘 못지않은데도 훨씬 저렴한 소재로 저온에서 제조할 수 있기 때문이다. ★ 페로브스카이트는 러시아 광물학자 레프 페롭스키가 광물에서 처음 발견한 특정 화학 구조를 가리키는 말이다. 일본 연구팀은 2009년 처음으로 페로브스카이트 물질을 태양전지에 적용했다. 이후 세계 연구자들은 페로브스카이트 태양전지 광전 변환 효율 향상 경쟁에 뛰어들었다. ★ 실리콘 태양전지의 최고 효율 26.7%이다.

 

 

■ 차세대 태양 전지, 광전 효율 25.6% 새 소재 개발

 

★ 국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 '페로브스카이트 태양전지'의 광활성층에 새로운 물질을 넣어 세계 최고 수준의 효율을 기록했다. 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 보여 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화에 한 발짝 다가서는 한편, 페로브스카이트 소재 기반의 차세대 디스플레이 개발 등에 기여할 것으로 예상된다. 울산과학기술원(UNIST)은 김진영 교수 연구팀이 김동석 한국에너지기술연구원 박사 연구팀, 스위스 로잔공대 연구팀 등과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율을 25.6%로 향상시킨 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다고 2021년 04월 06일 밝혔다. 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고 수준이다. 이전까지 가장 높은 효율은 25.2%였다.

 

★ 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지 보다 제조가 간편하고 저렴해 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 차세대 전지이다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체 구조를 갖는 물질이며, 태양전지의 광활성층에 쓰인다. 하지만, 아직 상용 태양전지에 비해 효율이 낮고, 내구성이 떨어지는 한계가 있어 이를 개선하기 위해 양이온 조합 등을 바꿔 효율과 물질 안정성을 높이는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

 

★ 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부를 '포메이트' 물질로 교체하는 방식으로 효율과 내구성을 높였다. 포메이트는 금속 양이온과 상호 작용해 결합력을 강화시켜 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하도록 돕는다는 사실을 연구팀은 밝혀냈다. 실제로, 포메이트를 첨가한 페로브스카이트 태양전지는 첨가하지 않은 전지에 비해 효율이 10% 이상 향상됐다. 또한 포메이트는 페로브스카이트 박막의 입자 크기를 키우고, 수직 성장을 도와 결정성을 높이는 데 역할을 한다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 미국 공인 인증 기관(Newport사)에서 25.6%의 전력 변환 효율 인증을 받았다.

 

■ 차세대 태양 전지, 광전 효율 25.2% 새 소재 개발

 

★ 한국화학연구원 서장원 책임연구원 연구팀은 2019년 08월 25.2%의 높은 효율을 달성했다. 연구팀은 여러 광활성층 가운데 전압을 높일 수 있는 전자 수송층과 전류를 높일 수 있는 페로브스카이트층 소재를 새로 개발했다. 연구팀은 화학용액증착법이라는 기술로 태양전지의 투명 전극 위에 주석산화물을 바로 합성시켜 전자가 잘 이동하도록 했다. 전자가 잘 이동하면, 전압이 높아져 효율이 올라간다. 연구팀은 또 빛을 잘 흡수할 수 있도록 페로브스카이트층 표면 처리 기술을 개발해 첨가물은 줄이면서 효율은 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 연구팀의 새로운 소자는 태양전지 최고 효율 정보를 분기별로 발표하는 미국 재생에너지 연구소 차트에서 두 차례 연속해서 1위에 올랐다. 새로운 소자는 500도가 넘는 고온의 열처리 공정이 필요했던 기존 고효율 페로브스카이트 태양전지와 달리 150도를 넘지 않는 낮은 온도에서 제조할 수 있다는 장점이 있다. 연구팀은 “특히 이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지가 밝은 빛을 낼 수 있는 특징을 지녀 발광소자(LED)로서의 가능성을 세계 최초로 증명했다”고 밝혔다. 기존 페로브스카이트 태양전지는 발광 효율이 5-10%에 그쳐 발광소자로서 주목을 받지 못했지만, 연구팀의 태양전지는 발광효율이 17%로 측정됐다. 서장원 책임연구원은 “이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지는 재생에너지 분야 외에도 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 연구팀은 또 나노입자 광사태를 이용해 페로브스카이트 태양전지가 흡수하지 못하는 영역대의 빛을 활용해 전류값을 향상하는 방법을 찾고 있다고 밝혔다. 연구팀의 성과는 과학저널 네이처 2021년 02월 24일 표지 논문으로 실렸었다.