[데일리한국 신지하 기자] 지구 전체가 1시간 동안 받는 태양광 에너지의 양은 전 세계가 1년 동안 소비하는 에너지 총량과 맞먹는다고 합니다. 사실상 무한하고, 어디에나 존재하는 태양 에너지를 활용해 전력을 생산하는 방법은 그야말로 '친환경' 기술이라고 할 수 있습니다.

10일 현대차증권과 NICE평가정보, 한국화학연구원 등에 따르면 태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로, 태양광 발전 시스템의 핵심 부품입니다.

태양전지는 빛을 흡수하는 소재 종류에 따라 실리콘·화합물반도체·유기계 등으로 분류됩니다. 상용화 순서에 따라서는 1세대(결정질 실리콘), 2세대(박막), 3세대(염료감응 등)로 나뉩니다. 이 중 결정질 실리콘 태양전지가 가장 먼저 상용화돼 태양광 시장의 90% 이상을 차지하고 있습니다.

3세대 태양전지는 투명하고 유연한 특성으로 건축자재와 휴대용 기기, 의류 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다. 특히 '페로브스카이트(perovskite)' 태양전지는 높은 광전변화효율(태양광을 전기에너지로 변환하는 효율)과 낮은 생산단가로 인해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 떠오르고 있습니다.

유기물과 무기물을 섞어 만든 금속 산화물인 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질 및 초전도 성질을 모두 가진 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름에서 따왔습니다.

  • 페로브스카이트 태양전지. 사진=한국화학연구원 제공
페로브스카이트 소재는 기존 실리콘 소재보다 두께를 얇게 제작할 수 있어 가볍습니다. 투명하고 유연한 성질을 보유한 덕분에 응용 분야도 다양합니다. 또한 1000도 이상의 고온 생산공정이 필요한 실리콘 태양전지와 달리 페로브스카이트 태양전지는 400도 이하의 공정을 통해 생산이 가능해 제작원가도 20% 이상 낮출 수 있다고 합니다. 다만 페로브스카이트 소재는 수분과 열 같은 자극에 취약해 안정성과 내구성이 떨어진다는 단점이 있습니다.

페로브스카이트 태양전지의 제조를 위한 기본적인 공정은 우선 요오드화납 등을 열처리해 페로브스카이트 물질을 합성하고, 이를 전도성 박막이 형성된 기판에 코팅합니다. 이후 톨루엔을 균일하게 코팅한 뒤 약 100도에서 열처리하면 태양전지용 페로브스카이트 박막이 형성됩니다. 최종적으로 태양전지 소자로서 작동할 수 있게 전극을 형성합니다.

최근 페로브스카이트를 활용한 태양전지의 효율성 향상이 빠르게 진행되고 있습니다. 결정질 실리콘 태양전지 효율은 1980년 15%부터 최근 27%까지 40년 동안 12%포인트 수준의 효율 개선이 이뤄졌습니다. 반면 페로브스카이트는 2010년대 초반 12% 효율이 최근 25.2%까지 향상됐습니다. 10년 남짓한 기간 동안 13%포인트 효율이 개선된 셈입니다. 속도면에서 보면 결정질 실리콘 태양전지가 지난 40년간 이뤄 온 효율 개선을 10년도 안 되는 시간에 이뤄낸 것입니다.

특히 페로브스카이트·실리콘 탠덤(Tandem) 전지의 경우는 최근 5~6년간 5%포인트 수준의 개선을 이뤄 29.1%의 효율을 기록하며 대단히 빠른 속도로 실리콘 태양전지 효율을 넘어서고 있습니다. 이론적으로는 현재 태양광 패널 효율 20% 대비 동일 면적에서 50% 더 많은 전력을 생산합니다.

특히 최근 페로브스카이트 태양전지 최고 효율(25.5%)을 기록한 곳이 한국화학연구원인 것에서 알 수 있듯이, 관련 연구를 한국이 주도하고 있는 상황입니다.
  • 페로브스카이트 태양전지의 구조와 원리. 사진=한국화학연구원 제공
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입력시간 : 2021/03/10 07:00:18 수정시간 : 2021/03/10 07:00:18
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