[Energy요모조모] <19> 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트'
2021-03-10 신지하 기자
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 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.
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