신재생에너지 투자, ‘이것’ 모르고 뛰어들면 100% 후회합니다. 탄소중립 시대의 주역으로 태양광 에너지가 주목받는 지금, 남들 다 하는 실리콘 태양전지 말고 차세대 기술에 먼저 투자하고 싶으신가요? 하지만 ‘꿈의 신소재’라는 말만 믿고 섣불리 투자했다가 상용화 지연과 예상치 못한 리스크에 발목 잡힐 수 있습니다. 페로브스카이트 태양전지, 분명 매력적인 투자처지만 그 이면의 치명적인 단점과 해결 과제들을 정확히 아는 것이 중요합니다.
페로브스카이트 태양전지 투자의 핵심 3줄 요약
- 높은 광전 변환 효율과 저렴한 제조 비용으로 기존 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 주목받고 있습니다.
- 하지만 수분과 열에 취약한 내구성 문제와 유해 물질인 납(Pb)을 사용한다는 점이 상용화의 가장 큰 걸림돌입니다.
- 이러한 단점을 극복하기 위한 연구개발(R&D)이 활발하며, 건물 일체형 태양광(BIPV), 웨어러블 기기 등 무한한 확장 가능성을 가집니다.
포인트 1 도대체 페로브스카이트가 뭐길래
페로브스카이트(Perovskite)는 특정 결정 구조(ABX3)를 가진 물질을 통칭하는 용어입니다. 1839년 러시아 우랄 산맥에서 처음 발견된 광물의 이름에서 유래했죠. 이 구조를 가진 물질이 빛을 흡수해 전기를 만드는 능력이 뛰어나다는 사실이 밝혀지면서 차세대 태양전지의 핵심 소재로 떠올랐습니다. 기존 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하는 실리콘 태양전지는 모래에서 추출한 실리콘을 복잡하고 높은 열이 필요한 공정을 통해 만듭니다. 반면 페로브스카이트 태양전지는 저렴한 원료를 용액에 녹여 필름처럼 얇게 코팅하는 간단한 ‘용액 공정’으로 제작할 수 있어 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.
실리콘을 위협하는 신소재
페로브스카이트 태양전지는 광흡수층, 전자 전달층, 정공 전달층 등으로 구성되어 빛 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 특히 빛을 흡수하는 능력이 뛰어나 아주 얇은 두께만으로도 높은 효율을 낼 수 있습니다. 이러한 특성은 가볍고 유연한 태양전지를 만들 수 있게 해, 다양한 분야에 응용될 가능성을 열어줍니다.
포인트 2 효율의 한계를 넘어서
모든 태양전지는 ‘쇼클리-콰이저 한계(Shockley-Queisser Limit)’라는 이론적인 효율 한계를 가집니다. 현재 상용화된 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율은 약 23~24% 수준으로, 이론적 한계치인 29%에 거의 도달했습니다. 더 이상의 획기적인 효율 향상을 기대하기 어려운 상황이죠.
탠덤 태양전지, 효율 44%를 향한 도전
페로브스카이트는 이 한계를 돌파할 ‘게임 체인저’로 주목받습니다. 특히 기존 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트를 겹쳐 쌓는 ‘탠덤 태양전지’ 기술이 핵심입니다. 페로브스카이트 층은 자외선과 가시광선 같은 단파장의 빛을 흡수하고, 실리콘 층이 적외선 등 장파장의 빛을 흡수하여 서로 다른 영역대의 빛을 상호 보완적으로 활용하는 원리입니다. 이 탠덤 셀의 이론적 한계 효율은 무려 44%에 달해, 같은 면적에서 훨씬 더 많은 전기를 생산할 수 있게 됩니다. 실제로 국내외 여러 기업과 연구기관이 미국재생에너지연구소(NREL)의 최고 효율 차트 기록을 경신하며 치열한 기술 경쟁을 벌이고 있습니다.
포인트 3 치명적인 약점, 안정성과 수명
이처럼 높은 잠재력에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 가로막는 가장 큰 걸림돌은 바로 ‘안정성’입니다. 페로브스카이트 물질은 수분, 산소, 빛, 열에 매우 취약하여 쉽게 결정 구조가 변형되고 성능이 저하되는 ‘열화’ 현상이 발생합니다. 특히 수분에 노출되면 광활성층이 분해되어 효율이 급격히 떨어집니다.
해결을 위한 노력
이 문제를 해결하기 위해 ‘봉지 기술(캡슐화, Encapsulation)’이 매우 중요합니다. 이는 외부 환경으로부터 페로브스카이트 층을 완벽하게 차단하여 보호하는 기술입니다. 또한, 박막 표면의 결함을 줄여 전하 재결합을 억제하는 ‘패시베이션(Passivation)’ 기술과 수분 저항성이 강한 새로운 정공 전달층 물질 개발 등 소재 자체의 내구성을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 최근 국내 연구진은 습도가 높은 환경에서도 500시간 이상 초기 효율의 87%를 유지하는 기술을 개발하는 등 의미 있는 성과를 내고 있습니다.
포인트 4 상용화의 열쇠, 저비용 대량생산
페로브스카이트 태양전지의 또 다른 매력은 저렴하고 간단한 생산 방식에 있습니다. 고온 공정이 필수적인 실리콘 태양전지와 달리, 페로브스카이트는 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅 같은 용액 공정을 통해 저온에서 생산할 수 있습니다. 이는 생산 단가를 크게 낮출 뿐만 아니라, 플라스틱 필름처럼 유연한 기판 위에도 제작이 가능하게 합니다.
대면적화와 롤투롤 공정의 중요성
상용화를 위해서는 셀(Cell) 단위를 넘어 넓은 면적의 모듈(Module)과 패널(Panel)로 만드는 ‘대면적화’ 기술이 필수적입니다. 하지만 면적이 넓어질수록 소재를 균일하게 코팅하기 어려워 효율이 떨어지는 문제가 발생합니다. 이를 극복하기 위해 신문을 인쇄하듯 연속적으로 태양전지를 생산하는 ‘롤투롤(Roll-to-roll)’ 공정 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다. 이 기술이 완성되면 제조 비용을 더욱 낮추고 대량 생산 시대를 열 수 있을 것입니다.
포인트 5 태양광 발전의 무한한 확장성
페로브스카이트는 얇고, 가볍고, 유연하며, 심지어 투명하게 만들 수도 있습니다. 이러한 특성은 기존의 무겁고 딱딱한 실리콘 태양전지로는 상상할 수 없었던 새로운 시장을 열어줍니다.
도시를 발전소로 만드는 BIPV
가장 주목받는 분야는 ‘건물 일체형 태양광(BIPV, Building Integrated Photovoltaic)’입니다. BIPV는 태양전지를 건물의 외벽, 창호, 지붕재 등으로 활용하는 기술로, 별도의 설치 부지 없이 건물 자체가 전기를 생산하게 만듭니다. 다양한 색상과 형태로 제작 가능한 페로브스카이트는 건축물의 디자인을 해치지 않으면서 에너지 자립도를 높이는 최적의 소재입니다. 이 외에도 웨어러블 기기, 차량 선루프, 실내광을 이용한 사물 인터넷(IoT) 센서 전원 등 응용 분야는 무궁무진합니다.
포인트 6 친환경 속 딜레마, 납(Pb) 문제
페로브스카이트 태양전지는 친환경 에너지 기술이지만, 아이러니하게도 환경 문제를 안고 있습니다. 현재 가장 높은 효율을 보이는 페로브스카이트 소재에 독성 물질인 납(Pb)이 포함되어 있기 때문입니다. 태양전지가 파손될 경우 납이 유출되어 토양이나 수질을 오염시킬 수 있다는 우려가 꾸준히 제기되고 있습니다.
Pb-free를 향한 R&D
이 문제를 해결하기 위해 전 세계 연구진들은 납을 사용하지 않는 ‘Pb-free’ 페로브스카이트 개발에 힘쓰고 있습니다. 납 대신 주석(Sn)과 같은 인체에 무해한 원소를 사용하려는 시도가 대표적입니다. 하지만 아직 주석 기반 태양전지는 납 기반에 비해 효율과 안정성이 떨어지는 한계를 보입니다. 납 유출을 원천적으로 차단하는 봉지 기술을 강화하거나, 사용 후 태양전지를 안전하게 재활용하는 기술 개발도 함께 이루어져야 할 중요한 과제입니다.
포인트 7 투자의 관점에서 주목할 기업
페로브스카이트 태양전지 시장의 성장 가능성에 따라 많은 기업이 기술 개발과 상용화에 뛰어들고 있습니다. 투자자라면 가치사슬(Value Chain) 전반에 걸쳐 어떤 기업들이 있는지 살펴볼 필요가 있습니다.
| 분야 | 주요 기업 | 관련 내용 |
|---|---|---|
| 셀/모듈 제조 | 한화솔루션 | 탠덤 셀 기술 개발을 선도하며 상용화를 목표로 연구개발(R&D)에 적극적으로 투자하고 있습니다. |
| 장비 | 유니테스트 | 페로브스카이트 태양전지 양산을 위한 장비를 개발하며 대면적 셀 부문에서 높은 효율 기록을 달성했습니다. |
| 장비 | 주성엔지니어링 | 반도체 증착 기술을 바탕으로 페로브스카이트 탠덤 태양전지용 장비를 개발하고 있습니다. |
| 장비 | 필옵틱스 | 정밀 레이저 가공 기술을 활용해 페로브스카이트 태양전지 생산에 필요한 패터닝 장비를 공급합니다. |
| 소재/기타 | 신성이엔지 | 태양광 모듈 및 BIPV 관련 기술을 보유하고 있으며, 차세대 태양전지 분야로 사업을 확장하고 있습니다. |
| 소재/기타 | SDN | 태양광 발전 시스템 전문 기업으로, 탠덤 셀 관련 기반 기술과 모듈 생산 기술을 보유하고 있습니다. |
이 외에도 메카로, 솔루엠, 대유플러스 등 여러 기업이 페로브스카이트 관련주로 분류되어 시장의 주목을 받고 있습니다. 투자를 고려한다면 각 기업의 기술 경쟁력, 상용화 진행 단계, 그리고 글로벌 시장 동향을 면밀히 분석하는 것이 중요합니다.
