페로브스카이트 탠덤 태양광 셀, 차세대 태양전지의 핵심 기술
태양광 발전은 현재 탄소 중립 사회를 실현하는 데 중요한 역할을 하고 있다.
최근에는 기존의 실리콘 기반 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 페로브스카이트 탠덤 태양전지가 큰 관심을 받고 있다. 이 기술은 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 이중 구조로, 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
특히, '탠덤 셀'은 상용화에 대한 기대감을 높이며 빠르게 발전하고 있다.
이 글에서는 페로브스카이트 탠덤 셀의 기본 개념, 최신 기술 동향 및 상용화 가능성에 대해 종합적으로 알아보도록 하겠다.
페로브스카이트란?
페로브스카이트(Perovskite)는 러시아에서 발견된 광물인 CaTiO₃의 이름을 따온 것으로, 특정한 결정 구조를 지닌 물질군을 의미한다. 현재 태양전지에 활용되는 페로브스카이트는 주로 유기-무기 할라이드 납(Lead Halide) 기반의 화합물로, ABX₃ 형식의 결정 구조를 갖고 있다. 여기서 A는 메틸암모늄(MA), B는 납(Pb), X는 할로겐(Cl, Br, I) 이온으로 이루어진다.
이러한 물질은 뛰어난 빛 흡수 능력과 전자 및 정공의 빠른 전달 속도를 지니고 있다. 또한, 저온에서 경제적인 비용으로 제조할 수 있는 장점이 있어, 기존의 실리콘 태양전지를 보완하거나 대체할 수 있는 미래형 태양전지 소재로 주목받고 있다. 미래의 에너지 시장에서 페로브스카이트의 활용 가능성은 매우 높다고 할 수 있다.
페로브스카이트의 주요 장점 중 하나는 그 유연성과 가공성이 뛰어나다는 점이다. 이 소재는 용액 공정인 스핀코팅이나 슬롯다이 코팅을 통해 얇은 필름 형태로 제작할 수 있어, 플렉시블 태양전지 및 건축 일체형 태양광(BIPV) 시스템에 적합한 특성을 지닌다.
특히 페로브스카이트는 다양한 밴드갭 조절이 가능하다는 점에서 주목받고 있다. 이로 인해 실리콘과의 탠덤 구조를 형성할 때 서로 보완적인 빛 흡수 특성을 갖출 수 있어, 탠덤 셀 구현을 위한 유망한 소재로 평가받고 있다. 이러한 특성들은 향후 태양광 기술 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
실리콘 태양전지 vs 페로브스카이트 탠덤 태양전지 비교
| 항목 | 기존 실리콘 태양전지 | 페로브스카이트 탠덤 태양전지 |
| 최고 효율 (연구실) | 약 26.8% (단일 셀 세계 기록) | 약 34.6% (탠덤 셀 세계 기록) |
| 모듈 효율 (상용) | 20~22% (일반 실리콘 모듈) | 25~30% (초기 예상 모듈 효율) |
| 제조 공정 | 고온 단결정 실리콘 웨이퍼 공정 (에너지 집약적) | 저온 용액 공정 (인쇄/코팅 등 가능, 공정 단순) |
| 제조 비용 | 웨이퍼 제조비 및 에너지 비용 높음 | 재료비 저렴, 제조 에너지 10% 수준 |
| 패널 무게/형태 | 두꺼운 유리 및 금속 프레임 (무거움, 경직) | 얇고 가벼움 (유연 기판에 코팅 가능) |
| 내구성 (수명) | 25년 이상 실외 운전 검증 완료 (높은 안정성) | 장기 안정성 확보 연구 중 (향후 개선 예상) |
페로브스카이트와 탠덤 셀의 원리
페로브스카이트는 칼슘 타이타늄 산화물(CaTiO₃)에서 유래한 결정 구조로, 주로 유기-무기 할라이드 납(Pb) 화합물이 태양전지에 활용된다. 이 소재는 뛰어난 빛 흡수력과 전하 이동성을 자랑하며, 저온 공정으로 생산이 가능하고 원자재 비용이 낮다는 장점이 있다.
탠덤 태양전지는 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 두 가지 태양전지를 겹쳐 놓은 구조를 가지고 있다. 페로브스카이트는 가시광선과 자외선을 흡수하고, 실리콘은 주로 적외선을 처리하여 태양에너지를 효과적으로 전기로 변환한다. 이 방식은 이론적으로 최대 40%에 가까운 효율을 낼 수 있어, 기존의 단일 실리콘 셀의 효율 한계를 뛰어넘을 가능성이 있다.
이러한 혁신적인 기술이 발전함에 따라, 태양광 발전의 효율성과 경제성이 더욱 향상될 것으로 기대된다.
최근 기술 동향과 세계 최고 효율 달성
페로브스카이트 탠덤 셀 기술은 최근 몇 년 동안 놀라운 발전을 보여주었다. 2022년에는 독일 HZB 연구팀이 세계 최고 효율인 32.5%를 달성하며 주목받았다. 이어서 2023년에는 사우디아라비아의 KAUST와 중국의 LONGi가 각각 33.7%와 33.9%의 효율을 기록하며 경쟁을 더욱 치열하게 만들었다.
2024년에는 LONGi가 34.6%의 효율을 달성하여 기존의 단일 실리콘 셀의 이론적 한계인 Shockley-Queisser 한계(약 33.7%)를 초과하는 성과를 이뤘다. 이러한 발전은 태양광 발전 기술의 미래에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.
최근 소면적 셀에서의 성과가 두드러지고 있지만, 대면적 셀과 모듈 기술 또한 함께 발전하고 있다. 영국의 Oxford PV는 상용 웨이퍼 크기에서 28.6%의 효율성을 기록한 반면, 한국의 연구팀은 200㎠ 셀에서 20.6%의 효율을 달성하며 대형 셀의 실용성을 보여주었다. 이러한 발전은 태양광 기술의 미래 가능성을 더욱 밝게 하고 있다.
상용화를 가로막는 도전 과제
페로브스카이트 탠덤 셀은 높은 효율성을 보이지만, 상용화 과정에서 해결해야 할 몇 가지 도전 과제가 존재한다. 가장 큰 문제는 장기적인 안정성과 대규모 생산 공정이다. 페로브스카이트 물질은 수분과 산소에 민감하기 때문에, 외부 환경에서 20년 이상 사용하기 위해서는 봉지화 기술이 필수적이다.
또한, 소규모의 셀은 실험실에서 비교적 쉽게 제작할 수 있지만, 수십에서 수백 제곱센티미터 크기의 대면적 모듈을 균일하게 생산하기 위해서는 정밀한 용액 코팅과 적층 기술이 필요하다. 다행히도 슬롯다이 코팅과 같은 산업용 공정이 빠르게 발전하고 있어 대량 생산에 대한 희망이 커지고 있다. 이러한 기술적 진보가 페로브스카이트 셀의 상용화에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
페로브스카이트 탠덤 셀의 상용화 전망
전문가들은 2025년부터 2026년 사이에 페로브스카이트 탠덤 셀의 상용화가 본격적으로 이뤄질 것으로 전망하고 있다. 현재 영국의 Oxford PV는 독일에서 양산라인을 시험 가동하고 있으며, 중국과 한국의 기업들도 시험 생산을 진행 중이다. 특히 중국은 정부의 지원으로 수 GW급 대규모 생산 설비를 구축하고 있다.
한편, 한국의 한화큐셀은 2026년 양산을 목표로 기술 개발에 집중하고 있다. 시장조사기관인 Rethink Energy는 향후 2040년까지 전 세계 태양광 패널의 90%가 페로브스카이트 기술을 채택할 것이라는 전망을 내놓기도 했다. 이러한 추세는 태양광 산업의 혁신을 이끌 것이며, 미래의 에너지 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
고효율·장기 안정성·대량 생산이 상용화의 관건
페로브스카이트 탠덤 태양전지가 차세대 태양광 발전의 중심 기술로 주목받고 있다. 최근 몇 년 동안 이 기술의 효율성은 급속도로 향상되었으며, 대면적 셀과 모듈 기술 또한 꾸준히 발전하고 있다. 그러나 상용화 단계에 들어서기 위해서는 초기 효율성 외에도 25년 이상 지속 가능한 내구성과 산업적 생산성을 동시에 달성해야 하는 과제가 있다.
이러한 기술적 장벽을 극복하고 2025년 또는 2026년에 상용화가 이루어진다면, 글로벌 태양광 산업은 새로운 성장 국면을迎이게 될 것이다. 이는 태양광 시장에 큰 변화를 가져오고, 환경 친화적인 에너지 전환에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.
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