페로브스카이트 태양전지, 20.6% 세계 최고 효율 달성의 의미

에너지 비용 걱정에 한숨 쉬고 계신가요? 매달 날아오는 전기요금 고지서에 가슴이 철렁 내려앉는 경험, 다들 있으시죠. 기존 에너지원의 한계와 환경 문제에 대한 고민이 깊어지는 지금, 여기 그 해답이 될지도 모를 놀라운 기술이 있습니다. 바로 ‘페로브스카이트 태양전지’입니다. 최근 대면적 셀에서 20.6%라는 세계 최고 효율을 달성하며 상용화에 대한 기대감을 한껏 높이고 있습니다.

차세대 에너지 혁명의 핵심, 페로브스카이트

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 저렴하고 유연하게 만들 수 있는 차세대 기술입니다.
최근 대면적 셀 효율 20.6%를 달성하며 상용화 가능성을 입증했습니다.
안정성, 내구성 문제를 해결하고 대면적 생산 기술을 확보하는 것이 상용화의 핵심 과제입니다.

페로브스카이트 태양전지란 무엇일까요

페로브스카이트 태양전지는 특정 결정 구조(ABX3)를 가진 ‘페로브스카이트’라는 물질을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지입니다. 기존의 실리콘 태양전지가 무겁고 딱딱한 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 것과 달리, 페로브스카이트는 용액을 이용한 저온 공정으로 얇은 박막 형태로 제작할 수 있습니다. 이는 마치 신문지를 인쇄하듯 롤투롤(Roll-to-roll) 공정으로 넓은 면적에 저비용으로 생산할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

왜 세계는 페로브스카이트에 주목하는가

가장 큰 이유는 바로 높은 ‘광전 변환 효율’ 잠재력 때문입니다. 태양 빛을 얼마나 많이 전기로 바꾸는지를 나타내는 이 효율은 태양전지의 성능을 결정하는 핵심 지표입니다. 실리콘 태양전지의 효율이 이론적 한계치인 쇼클리-콰이저 한계에 가까워진 반면, 페로브스카이트는 짧은 연구 역사에도 불구하고 실험실 환경에서 25%를 넘는 효율을 기록하며 빠르게 발전하고 있습니다. 최근 한국화학연구원과 유니테스트가 공동 개발한 대면적 셀이 20.6%의 세계 최고 효율을 공인받은 것은, 실험실 수준을 넘어 실제 상용화 가능한 크기에서도 높은 성능을 낼 수 있음을 보여준 쾌거입니다.

실리콘을 넘어서는 무한한 가능성

페로브스카이트 태양전지는 단순히 효율만 높은 것이 아닙니다. 얇고 유연하며, 심지어 투명하게도 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 특성은 기존 태양전지로는 상상하기 어려웠던 다양한 분야로의 확장을 가능하게 합니다.

건물 일체형 태양광 (BIPV): 투명 전극 기술을 활용해 유리창 자체가 전기를 생산하는 스마트 윈도우를 구현할 수 있습니다.
웨어러블 기기 및 IoT: 가볍고 유연한 특성 덕분에 옷이나 휴대용 기기에 부착하여 언제 어디서든 전력을 공급받을 수 있습니다. 실내광 발전 효율도 높아 사물 인터넷(IoT) 센서의 전원으로도 활용이 기대됩니다.
차량 선루프: 자동차의 파노라믹 솔라루프에 적용하여 주행 중에도 배터리를 충전하는 등 친환경 모빌리티 기술의 핵심이 될 수 있습니다.

상용화를 향한 마지막 관문

이처럼 무한한 잠재력에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지가 우리 생활에 자리 잡기까지는 몇 가지 해결해야 할 과제가 남아있습니다.

안정성과 내구성 확보

페로브스카이트 소재의 가장 큰 약점은 열, 수분, 산소, 빛에 취약하다는 점입니다. 이로 인해 시간이 지남에 따라 효율이 떨어지는 열화 현상이 발생하여 수명이 짧아지는 문제가 있습니다. 연구자들은 캡슐화와 같은 봉지 기술을 개발하고, 표면 결함을 줄이는 패시베이션 처리, 그리고 유기물 대신 무기물을 사용하는 등 다양한 방법으로 안정성과 내구성을 높이기 위한 연구개발(R&D)에 총력을 기울이고 있습니다.

환경 문제와 대면적 생산

현재 고효율 페로브스카이트 소재에는 미량의 납(Pb)이 포함되어 있어 환경 문제에 대한 우려가 있습니다. 이에 과학계에서는 독성이 없는 주석(Sn) 기반의 ‘Pb-free’ 소재를 개발하는 연구를 활발히 진행 중입니다. 또한, 실험실의 작은 셀(Cell)에서 만든 고효율을 넓은 면적의 모듈(Module)이나 패널(Panel)에서도 그대로 구현하는 것이 중요합니다. 스핀 코팅 방식에서 벗어나 잉크젯 프린팅과 같은 대면적에 유리한 공정 기술 개발이 상용화의 핵심 열쇠입니다.

미래 기술의 융합, 탠덤 태양전지

페로브스카이트 기술의 정점은 바로 ‘탠덤 태양전지’에 있습니다. 이는 기존 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막을 쌓아 올린 2층 구조의 태양전지를 말합니다. 페로브스카이트 층이 단파장의 빛을 흡수하고, 실리콘 층이 장파장의 빛을 흡수하여 태양광 스펙트럼을 더욱 폭넓게 활용하는 원리입니다. 이를 통해 단일 전지의 효율 한계를 뛰어넘는, 이론적으로 44%에 달하는 초고효율을 달성할 수 있을 것으로 기대됩니다.

페로브스카이트 시장과 관련 기업

차세대 태양전지 시장의 게임 체인저로 떠오르면서 글로벌 기술 경쟁 또한 치열해지고 있습니다. 미국, 중국, 독일, 영국 등 세계 각국이 국책 과제를 통해 기술 개발을 지원하고 있으며, 기업들의 투자 또한 활발히 이루어지고 있습니다.

국내에서는 한국화학연구원의 석상일, 박남규 교수 등이 세계적인 연구 성과를 내고 있으며, 여러 기업들이 상용화를 위해 박차를 가하고 있습니다.

기업명	페로브스카이트 관련 사업 내용
유니테스트	화학연과 협력하여 대면적 셀 세계 최고 효율을 달성했으며, 차량용 솔라루프 등 사업화를 추진 중입니다.
한화솔루션 (한화큐셀)	탠덤 셀 파일럿 라인을 구축하고 상용화를 위한 연구개발에 집중 투자하고 있습니다.
신성이엔지	페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 기술을 국책과제로 진행하고 있습니다.
필옵틱스	페로브스카이트 태양전지 생산에 필요한 정밀 레이저 패터닝 장비를 개발하고 있습니다.
메카로	내구성을 높인 무기물 기반의 탠덤 태양전지를 개발 중입니다.

이 외에도 SDN, 솔루엠, 대유플러스 등 많은 기업이 신재생에너지 분야에 대한 투자를 확대하며 페로브스카이트 기술의 미래 가치에 주목하고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지는 탄소중립과 그린수소 시대를 앞당길 핵심 미래 기술로서, 앞으로의 행보가 더욱 기대됩니다.