[에너지 대전환] 세상을 바꿀 페로브스카이트 태양전지
[에너지 대전환] 세상을 바꿀 페로브스카이트 태양전지
  • 김영배 기자 (youngboy@daum.net)
  • 승인 2020.09.23
  • 댓글 0
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실리콘 태양전지의 최고 10분의 1수준의 원가 경제성
자동차 지붕·건물 외벽은 물론 창문에 붙여 사용 가능
국내 연구팀이 상용화 길 열어…최고 효율경쟁 뜨거워

'한국판 뉴딜'이 나온지 두 달이 지나고 있는 가운데, 한국판 뉴딜의 핵심이라고 할 수 있는 그린 뉴딜과 관련된 후속 정책도 잇따라 나오고 있다. 특히, 신재생에너지는 그린 뉴딜 프로젝트를 이끌면서 저탄소 경제를 선도하는 등 에너지 정책 대전환의 구심점 역할을 하고 있다. 에너지 대전환을 이끌고 있는 신재생에너지의 오늘과 내일, 그리고 미래발전 전략을 살펴본다.[편집자 주]

태양광 발전은 빛 에너지를 모아 전기로 바꾸는 것을 말한다. 때문에 연료를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 인간에게 해로운 공해를 만들지 않고 소음도 없다. 또 설치가 쉽고 사용기간도 비교적 길다.

현재 태양광 발전은 원재료인 폴리실리콘→폴리실리콘을 녹여 만든 잉곳→얇은 판 형태의 웨이퍼→셀이라고 부르는 태양전지→태양전지를 모아 만든 패널(모듈)로 이어지는 구조이다.

태양광 발전의 핵심인 태양전지는 대부분 실리콘으로 만든 반도체로 만들어지고 있다. 하지만 실리콘 태양전지는 최고 효율 26.7%라는 장점에도 불구, 복잡한 제조 공정과 1500℃ 이상의 고온 환경으로 인해 생산 단가가 높다.

◇차세대 태양전지 페로브스카이트 태양전지(PSC:Perovskite Solar Cell)

그런데 페로브스카이트가 실리콘 태양전지의 단점을 해결해 줄 차세대 태양전지로 등장한 것이다. 페로브스카이트는 200도 안팎이면 성형이 가능해 제조 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 필름처럼 휘어진다는 것도 페로브스카이트의 특징 중 하나로, 자동차 지붕과 건물 외벽은 물론 창문에 붙일 수도 있다.

기존 태양 전지판에 한 겹 덧씌워서 쓸 수도 있다. 이를 ‘텐덤형 전지’라고 하는데, 텐덤형 전지는 효율이 29.1%까지 나온다. 기존 태양 전지 성능을 단숨에 50%가량 높일 수 있다는 설명이다.

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물에 붙여진 이름으로 19세기 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovsky)의 이름을 따서 만들어졌다.

페로브스카이트가 태양전지로의 활용 가능성을 최초로 발견한 것은 일본이다. 당시 일본 연구팀은 3.81%의 효율을 지닌 액상형 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

◇ 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화 길 열어

이후 2012년 성균관대학교 박남규 교수진이 액체 상태의 페로브스카이트를 고체 형태로 바꿔 10%에 가까운 효율을 선보이며 상용화의 가능성을 열었다. 박 교수는 해외 학술정보회사인 클래리베이트가 2017년 피인용 우수연구자로 선정하며 유력 노벨상 후보로 거론하기도 했다.

이듬해 한국화학연구원에서는 다공정 구조로 12.7%의 효율을 이뤄냈고, 지난해 8월에는 한국화학연구원과 미국 메사추세츠공대 연구팀이 25.2%의 최고효율 기록을 세우기도 했다. 이는 실리콘 최고효율과의 격차를 1%대로 줄인 것으로, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한발 더 다가섰다는 평을 받았다.

이처럼 PSC는 실리콘 태양전지의 변환효율(PCE)과 비교해 단기간 동안 세계최고 수준의 효율을 연이어 달성하면서 기존 태양전지의 효율성, 고가 한계를 극복하고 수년 내에 태양광 산업을 주도할 것으로 기대되고 있다.

폴리실리콘과 페로브스카이트 비교. [자료:흥국증권]
폴리실리콘과 페로브스카이트 비교. [자료:흥국증권]

◇ 실리콘 태양전지의 10분의 1 원가 경쟁력

PSC가 주목받는 이유는 무엇보다 실리콘 태양전지에 비해 최고 10분의 1 수준의 원가 경쟁력에다 발전을 위한 면적도 적다는 것이다.

국내 기업들 중에는 한국전력을 비롯해 한화솔루션, 유니테스트 등이 PSC 개발에 적극적으로 나서고 있다. 

한화솔루션은 판교에 있는 미래연구소에서 PSC 개발에 주력을 하고 있고, 이트를 연구개발을 하고 있고, 신성이엔지도 국책 과제 중 하나로 2016년부터 해당 연구를 이어오고 있다.

2.5cmX2.5cm 면적에서 20.4%의 최고효율을 달성한 바 있는 한국전력 전력연구원은 5cmX5cm 이상의 대면적 페로브스카이트 모듈 설계와 제작, 성능평가 연구를 진행하고 있다.

또 지난 8월에는 차세대 페로브스카이트 태양전지를 저가로 양산 가능한 공정기술과 대면적 모듈 제작 기술력을 확보한 유니테스트와 유리창호형 태양전지 사업화를 양해각서를 체결하기도 했다.

◇ 5년간 1900억원 투입 2030년 효율 35% 달성 목표

페로브스카이트의 상용화는 올해부터 시작될 것으로 보인다. 옥스포드 PV는 텐덤형 페로브스카이트를 올해 말부터 상업 가동에 나설 계획이다. 신성이엔지가 연구하고 있는 과제도 텐덤 형 전지다.

학계나 업계는 텐덤 전지가 상용화가 될 경우 현재 중국이 주도하고 있는 태양광 발전 시장에도 큰 변화가 있을 것으로 예상하고 있다.

그 동안 가격을 앞세워 시장을 주도해 왔던 중국산 셀이나 모듈과의 경쟁에서 우위를 잡을 수 있을 것이라는 예상 때문이다.

현재 국내 텐덤 태양전지의 수준은 유럽과 미국에 비해 뒤처져 있는게 사실. 하지만 반도체 공정 기술과 디스플레이 공정 기술 등이 세계 최고인 만큼 관련 기술을 접목 시키면 글로벌 경쟁력 확보도 가능할 것이라는 분석이다.

차세대 선도기술 조기확보를 위한 태양광 R&D 혁신전략. [자료:산업통상자원부]
차세대 선도기술 조기확보를 위한 태양광 R&D 혁신전략. [자료:산업통상자원부]

이에 정부도 향후 5년간 약 1900억원을 투자해 오는 2023년 효율 26%, 2030년 효율 35% 달성을 목표로 관련 기술개발을 지원한다는 계획이다. 이를 통해 해외 경쟁기업 대비 기술 격차를 약 2년 정도 확보한다는 목표다.

한국과학기술기획평가원(KISTEP) 여준석 박사는 "한국은 PSC 분야에서 세계선도 수준의 기술을 확보하고 있으며, 국가적으로 원천 기술 선점이 가능할 것으로 기대된다"며 "PSC가 상용화 되면 2025년 115GW, 2029년 누적 673GW에 달할 것으로 예측되는 태양전지 시장에서 빠른 속도로 기존의 실리콘 태양전지 시장을 대체할 가능성이 높다"고 예측했다.

정 박사는 "때문에 정부도 단기적으로는 기존 실리콘 태양전지 중심의 가치사슬 내 차세대 태양전지 기술이 활용(탠덤 등)될 수 있는 R&D 분야를 선별할 필요가 있다"며 "장기적으로는 차세대 태양전지 기반 가치사슬에 대한 전망, 가치사슬별 R&D필요성 등을 종합적으로 검토할 필요"가 있다고 말했다.


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