최근 국내외 태양광 시장에서 가장 핫(HOT)한 태양전지로 ‘페로브스카이트 태양전지’가 있다. 지난해 11월 8일부터 13일까지 제주도에서 개최된 ‘제30회 국제태양광학술대회(PVSEC-30)’에서도 국내외 태양광 전문가들은 페로브스카이트 태양전지에 대한 뜨거운 열기를 드러냈다.

이에 <인더스트리뉴스>는 PVSEC-30 조직위원장을 역임하며, 국내 태양광 산업 발전을 위해 일선에 활약 중인 영남대학교 화학공학부 박진호 교수를 통해 ‘정의, 개발동향, 상용화 전망’을 주제로 최근 기술개발이 가장 활발한 페로브스카이트에 대한 이야기를 전달하고자 한다.

Ⅰ-페로브스카이트 태양전지

Ⅱ-페로브스카이트 태양전지 개발동향

Ⅲ-페로브스카이트 상용화 전망 및 예상 적용 분야

[영남대학교 화학공학부 박진호 교수/공학박사] 2009년 일본의 미야자카 교수 연구팀이 처음으로 3.8% 효율의 제품을 보고함으로써 출현한 페로브스카이트 태양전지는 10년이 조금 넘는 짧은 기간 동안 실험실 수준 세계 최고 효율이 25.5%에 달할 정도로 빠른 속도로 높은 기술개발 수준을 보여 왔다.

현재 세계적인 주요 태양광 기업들과 연구소, 대학 등에서는 페로브스카이트를 기존의 실리콘 전지와 융복합한 탠덤 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다. [사진=utoimage]

특히, 기존의 실리콘 태양전지나 CIGS 태양전지와 적층해 탠덤형(Tandem) 태양전지를 만들면, 기존 태양전지의 이론 효율에 도달하거나 이를 초월하는 고효율 태양전지를 만드는데 활용할 수 있다는 커다란 장점도 가지고 있어 페로브스카이트 태양전지에 개발에 대한 관심도는 해를 거듭할수록 높아지고 있다.

전통적 태양광 시장

현재 태양광 모듈이 채택되고 있는 대부분의 시장은 발전 산업과 관련된 시장으로, 크게 <표 1>과 같이 구분할 수 있다.

태양전지가 매우 고가이고 상용화 생산이 시작되기 전에는 주로 우주용(인공위성이나 스페이스 스테이션 전원용) 태양광발전 시스템에 사용돼왔고, 이후 전자 손목시계나 전자계산기에 들어가는 민수용 가전제품의 일부로 사용돼왔다.

표 1. 태양광 모듈이 적용되는 발전 시장 구분

그러나 이들 시장은 그 규모가 매우 작아 대규모 양산제품을 만들기에는 부족했고, 최근 급속히 시장을 넓혀나가고 있는 시장은 지상용 태양광발전 시스템 시장이라고 할 수 있겠다. 물론 이러한 지상용 발전 시스템 시장의 확대는 고효율 전지 개발에 따른 결과라 할 수 있으나, 그에 못지않게 규모의 경제 달성에 의한 제조 단가의 급락이 초래한 바가 더욱 크다고 할 것이다.

지상용 태양광발전 시스템은 다시 독립형 시스템(Stand-alone Off-grid PV System), 계통연계형 시스템(Grid-connected PV System) 및 복합형 시스템(Hybrid PV System)으로 구분할 수 있다.

좀 더 세분하면, 독립형시스템은 Off-grid Domestic System과 Off-grid Non-domestic System. 계통연계형 시스템은 On-grid Distributed System과 On-grid Centralized System으로 다시 구분되기도 한다. 한편, 복합형 시스템은 그 이름이 의미하는 바와 같이 디젤발전, 풍력발전, 지열발전과 복합화된 태양광발전 시스템을 의미한다.

신규 활성화 시장

이러한 전통적인 태양광발전 시장에 이어 최근 들어서는 태양광발전의 용도를 확대하려는 시도가 매우 활발히 전개되고 있다. 아래에 그 대표적인 예들을 열거했다.

태양광발전 시스템의 다양한 활용방안

대규모 태양광발전 시스템을 설치할 평지가 많지 않은 우리나라의 경우 이러한 다목적 용도의 태양광발전 시스템을 개발하고 적용하려는 시도가 매우 활발히 이루어지고 있다. 우리나라는 70% 이상이 산지로 이루어진 지형을 가지고 있어 산림을 훼손하지 않고 태양광을 설치할 수 있는 공간이 절대적으로 적으며, 평지도 대부분 농림지역이나 도시에서 사용되고 있어 태양광을 설치할 수 있는 넓은 공간은 만들기가 어렵다는 특징을 가지고 있기 때문이다.

따라서 논밭에서 농업을 하면서 동시에 태양광발전을 하는 농업공존형 태양광발전 시스템이나 댐이나 저수지의 수면을 이용한 수상태양광발전 시스템, 그리고 도시의 건축물 표면을 이용한 건물통합형 태양광발전 시스템에 대한 개발동기가 특히 강조되고 있다고 하겠다. 아직 상용화되기에는 이른 측면이 있으나 도로통합형 태양광발전 시스템이나 차량용 태양광 시스템도 향후 큰 시장을 만들 수 있을 것으로 전망되고 있다. 시장규모는 크지 않으나 태양광발전의 응용을 확대하는 측면에서 제품적용형 태양광발전시스템의 개발도 지속적으로 이루어지고 있다고 하겠다.

페로브스카이트 태양전지 상용화 전망

페로브스카이트 태양전지의 궁극적인 활용처는 위에 설명한 고효율, 장수명 발전 시스템에 탑재될 수 있는 전지에 있다고 하겠다. 다만, 현재로서는 재료의 안정성과 신뢰성 이슈가 충분히 해결되지 못해 본격적인 발전용 전지에 사용되기에는 미흡한 실정이다. 따라서 현재 세계적인 주요 태양광 기업들과 연구소, 대학 등에서는 페로브스카이트를 기존의 실리콘 전지와 융복합한 탠덤 태양전지(Tanem Solar Cell)의 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다.

즉, 상대적으로 에너지 밴드 갭(Band Gap)이 큰 페로브스카이트 층을 상부 전지 셀로 사용하고, 이를 기존의 실리콘 하부전지 위에 적층하는 형식으로 제작해 태양광 스펙트럼을 보다 넓게 사용하려는 시도라 할 수 있다. 현재 실리콘 태양전지의 최고 효율이 25%에 육박하고 있는데, 페로브스카이트 탠덤 태양전지는 30~35%에 육박하는 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

물론 이러한 탠덤 태양전지도 발전용에 사용되기 위해서는 25년 이상의 수명이 보장돼야 하므로, 소재의 안정성과 신뢰성의 극복이라는 이슈를 해결한다는 가정 아래 가능한 시나리오라 하겠다.

페로브스카이트 태양전지 상용화는 제품 특성에 걸맞은 적절한 수명과 높은 효율, 유연성 및 반투명성, 칼라구현 가능성 등 장수명 이외의 특성 구현과 함께 상용화 가능한 수준의 제조단가 구현이 가장 핵심적인 역할을 담당하리라 전망된다. [사진=utoimage]

따라서 비교적 크기가 작고 봉지(Encapsulation)가 용이한 DIPV나 25년 이상의 장수명을 요구하지 않는 개인용 제품(백팩(Backpack)이나 아웃도어 의류 등)에 적용되는 태양전지로 먼저 상용화가 될 수 있을 것으로 전망된다.

최근 태양광 모듈 제조에 있어 전지를 외부환경으로부터 보호하는 봉지기술이 크게 발전하고 있으므로, 이러한 봉지기술의 선진화가 신속히 이루어질 경우, 페로브스카이트 소재의 원천적인 신뢰성 증가가 없더라도 비교적 수명이 짧은 태양광발전 시스템에는 효율이 높을 경우 적용이 가능할 것으로 전망된다. 특히, 건물통합형(외장형) 태양광발전 시스템이나 차량용 태양광발전 시스템이 이들의 대표적인 예라 하겠다.

페로브스카이트 전지의 활용을 극대화하기 위해서는 유연한 기판 위에 제작 가능한 유연 태양전지가 구현돼야 할 것이다. 따라서 유연태양전지(Flexbile Solar Cell)에 적합한 다양한 박막태양전지(CIGS, CdTe, 유기 태양전지 등)를 하부전지로 채택하고, 페로브스카이트 전지를 상부전지로 적층한 고효율(25% 이상) 유연 탠덤 태양전지가 개발될 경우 25년 이상의 장수명이 보장되지 않더라도 위에 언급한 일부 시장에는 충분히 적용이 가능해 시장을 크게 확대할 수 있을 것이라 전망된다. 빛을 일부 투과하면서도 발전이 가능한 반투명 태양전지에의 응용도 기대가 된다고 하겠다.

결국 페로브스카이트 태양전지의 상용화는 제품 특성에 걸맞은 적절한 수명과 높은 효율, 유연성 및 반투명성, 칼라구현 가능성 등 장수명 이외의 특성 구현과 함께 상용화 가능한 수준의 제조단가 구현이 가장 핵심적인 역할을 담당하리라 전망된다.

[정한교 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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