신재생에너지 투자는 하고 싶은데, 차세대 기술은 어렵고… 혹시 이런 고민 때문에 투자를 망설이고 계신가요? 언론에서는 연일 ‘페로브스카이트’가 미래라고 하는데, 정작 이게 무엇인지, 정말 우리 삶을 바꿀 ‘게임 체인저’가 될 수 있을지 막막하게 느껴질 수 있습니다. 마치 수익이 나지 않는 블로그 글처럼, 방향을 잘못 잡으면 소중한 투자금을 잃을 수도 있다는 불안감이 드는 것이 당연합니다.
페로브스카이트 태양전지 핵심 요약
- 기존 실리콘 태양전지의 이론적 효율 한계를 뛰어넘는 잠재력으로 주목받는 차세대 태양전지입니다.
- 용액을 바르거나 뿌리는 간단한 공정으로 제작할 수 있어 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.
- 하지만 수분과 열에 약한 안정성 문제와 유해 물질인 납 사용 문제를 해결해야 하는 과제를 안고 있습니다.
왜 모두가 페로브스카이트에 열광할까
우리가 현재 사용하고 있는 대부분의 태양전지는 ‘실리콘 태양전지’입니다. 지난 수십 년간 태양광 시장을 이끌어왔지만, 기술적 한계에 부딪히고 있습니다. ‘쇼클리-콰이저 한계’라고 불리는 이론적 효율 한계치에 거의 도달했기 때문이죠. 더 높은 효율을 기대하기 어려운 상황에서, 페로브스카이트는 새로운 가능성을 제시하며 등장했습니다.
실리콘을 넘어설 압도적인 효율 잠재력
페로브스카이트 태양전지는 ‘ABX3’라는 독특한 결정 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용합니다. 이 구조 덕분에 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 매우 뛰어납니다. 이론적으로 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지는 최대 44%의 효율을 낼 수 있을 것으로 기대됩니다. 이는 실리콘 태양전지의 한계 효율인 29%를 훨씬 뛰어넘는 수치입니다. 실제로 실험실 수준에서는 이미 실리콘 태양전지의 효율을 넘어서는 결과들이 NREL 최고 효율 차트 등을 통해 계속해서 발표되고 있습니다.
신문처럼 찍어내는 저비용 생산 방식
페로브스카이트 태양전지의 또 다른 강력한 장점은 바로 ‘저비용’ 생산이 가능하다는 점입니다. 기존 실리콘 태양전지는 고온의 복잡한 공정을 거쳐야 해서 생산 단가가 높았습니다. 하지만 페로브스카이트는 용액 상태로 만들어 기판에 바르거나 뿌리는 ‘용액 공정’으로 만들 수 있습니다. 잉크젯 프린팅이나 롤투롤(Roll-to-roll) 방식처럼 신문을 찍어내듯 저렴하고 빠르게 대면적 생산이 가능해지는 것입니다.
꿈의 기술, 상용화를 위해 넘어야 할 산
이처럼 엄청난 잠재력에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지가 우리 집 지붕에 설치되기까지는 아직 해결해야 할 과제들이 남아있습니다. 바로 안정성, 내구성, 그리고 환경 문제입니다.
물과 열에 약한 치명적 단점
페로브스카이트는 구조적으로 수분과 산소, 열, 그리고 빛에 취약합니다. 이러한 외부 요인에 노출되면 결정 구조가 쉽게 손상되어 효율이 급격히 떨어지는 열화 현상이 발생합니다. 이는 태양전지의 수명과 직결되는 문제이기 때문에, 외부 환경으로부터 페로브스카이트 층을 완벽하게 보호하는 ‘봉지 기술’ 또는 ‘캡슐화’ 기술 개발이 상용화의 핵심입니다.
환경 문제의 딜레마, 납(Pb)
현재 고효율을 내는 페로브스카이트 소재에는 미량의 납(Pb)이 포함되어 있습니다. 납은 인체에 유해한 독성 물질이기 때문에 환경 문제에 대한 우려가 계속 제기되고 있습니다. 이에 따라 전 세계 연구진들은 납을 사용하지 않는 ‘Pb-free’ 연구에 집중하고 있으며, 주석(Sn) 등을 활용한 대체 물질 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다.
한계를 극복하고 미래로 나아가는 기술
이러한 단점들을 극복하기 위한 혁신적인 연구개발이 전 세계적으로 활발히 진행 중이며, 특히 ‘탠덤 태양전지’ 기술이 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있습니다.
실리콘과 페로브스카이트의 완벽한 조합
탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 개의 태양전지를 겹쳐 만드는 기술입니다. 페로브스카이트는 단파장 빛을, 실리콘은 장파장 빛을 효과적으로 흡수하는데, 이 둘을 결합하면 태양 빛을 훨씬 폭넓게 활용하여 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 페로브스카이트의 단점을 보완하면서 장점은 극대화하는 매우 효과적인 전략으로, 한화솔루션을 비롯한 여러 기업이 상용화를 위해 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다.
페로브스카이트 기술을 이끄는 기업들
우리나라 역시 페로브스카이트 기술 경쟁에서 앞서나가고 있습니다. 한국화학연구원과 같은 국책 연구기관의 꾸준한 R&D는 물론, 여러 기업들이 상용화를 목표로 치열한 기술 개발 경쟁을 벌이고 있습니다.
| 기업명 | 페로브스카이트 관련 사업 내용 |
|---|---|
| 한화솔루션 (한화큐셀) | 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀 및 모듈 개발을 주도하며 상용화를 눈앞에 두고 있습니다. |
| 유니테스트 | 대면적 페로브스카이트 태양전지에서 세계 최고 수준의 효율을 기록하는 등 기술력을 입증했습니다. |
| 신성이엔지 | 국책과제를 통해 탠덤 태양전지 기술을 개발하며 차세대 태양광 시장을 준비하고 있습니다. |
| 필옵틱스 | 페로브스카이트 태양전지 생산에 필요한 레이저 장비 기술을 보유하고 있습니다. |
페로브스카이트가 그려나갈 우리 삶의 변화
페로브스카이트 태양전지가 상용화되면 우리의 일상은 어떻게 바뀔까요? 단순히 전기 요금을 절약하는 것을 넘어, 에너지 패러다임 자체를 바꿀 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다.
건물이 스스로 전기를 만드는 시대
페로브스카이트는 투명하게 만들 수 있고, 유연성을 가지며, 가볍다는 특징이 있습니다. 이러한 특성 덕분에 건물 외벽이나 창문에 필름처럼 부착하는 ‘건물 일체형 태양광(BIPV)’ 시스템에 최적화되어 있습니다. 앞으로는 건물이 단순한 공간을 넘어 스스로 에너지를 생산하고 소비하는 발전소가 될 것입니다.
일상 곳곳에 스며드는 태양광 에너지
- 웨어러블 기기: 옷이나 가방에 부착해 스마트폰을 충전할 수 있습니다.
- 차량 선루프: 자동차가 주행하는 동안 스스로 충전하여 주행거리를 늘릴 수 있습니다.
- 실내광 발전: 미세한 실내조명만으로도 전기를 생산하여 사물 인터넷(IoT) 기기나 센서의 전원으로 활용될 수 있습니다.
