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성능좋고 값싼 차세대 태양전지 '페로브스카이트'… 한화·美·英, 상용화 경쟁

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작성자 관리자 작성일21-03-31 22:15 조회432회 댓글0건

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가볍고 저렴한 게 장점… 약한 내구성 보완이 숙제

미 정부 "페로브스카이트 태양전지 연구에 2000만달러 지원"

태양광·풍력 등 신재생 에너지에 대한 투자가 늘면서 ‘페로브스카이트(Perovskite)’라는 소재가 주목 받고 있다. 페로브스카이트로 만든 태양전지는 현재 널리 사용되는 실리콘 태양전지보다 저렴하고, 많은 전력을 생산할 수 있어 차세대 태양광 소재로 꼽힌다. 태양광은 온실가스를 배출하지 않는 친환경 에너지원이지만, 그동안 석탄 등 화석연료 발전에 비해 에너지 효율과 경제성이 떨어진다는 비판을 받았다. 각국 정부와 에너지 기업들은 태양광의 이런 한계를 극복하기 위해 페로브스카이트 태양전지 상용화에 박차를 가하고 있다.

미국 정부는 이미 작년 8월에 차세대 페로브스카이트 태양전지 연구개발에 2000만달러(약 217억원)를 지원한다고 발표했다. 미 에너지부(DOE)는 "페로브스카이트로 만든 태양전지는 성능이 뛰어나고 생산비용은 낮아 잠재력이 높다"며 "다만 페로브스카이트 태양전지가 경쟁력을 갖추려면 연구개발을 통해 지속성과 내구성을 확보해야 한다"며 지원 배경을 설명했다. 

 

페로브스카이트는 전기전도성이 뛰어난 결정구조를 보유한 소재로, 무기물과 유기물 등을 섞어 만든다. 지난 2009년에 처음 태양전지에 활용됐지만, 당시 광전효율(빛을 전기로 바꾸는 효율)은 3.8%에 그쳤다. 이후 10여년 간 연구가 이뤄지면서 페로브스카이트 태양전지 광전효율도 지난해 기준 약 25%까지 높아졌다. 그러나 페로브스카이트 전지는 수분과 열 등에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 단점을 극복하지 못해 여전히 상용화에 어려움을 겪고 있다. 전문가들은 안정성을 갖춘 기존 실리콘 전지에 페로브스카이트를 접목하는 방법으로 이런 문제를 해결하려고 노력하고 있다.


태양광 업계는 페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연한 데다 제조 공정이 간편하고 생산비용이 최대 3분의 1 수준으로 낮다는 점에 주목하고 있다. 현재 일반적으로 쓰이는 실리콘 태양전지는 값비싼 장비를 활용해 섭씨 1400도 이상의 온도에서 처리하는 공정을 거쳐야 한다. 페로브스카이트는 보다 저렴한 장비를 사용해 비교적 낮은 온도인 100도에서 처리할 수 있어 비용 절감이 가능하다. 여기에 두께도 실리콘 태양전지의 60분의 1 수준이라 가볍다.

국내외 연구소와 기업들은 이같은 장점을 살린 페로브스카이트 태양전지가 상용화된다면 비용 절감과 에너지 효율 개선이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있을 것으로 보고 연구개발에 속도를 내고 있다. 

 

국내에선 한화솔루션의 태양광 부문 한화큐셀이 지난해 말 페로브스카이트 태양광 셀(텐덤 셀) 개발에 본격적으로 돌입했다. 한화큐셀은 성균관대, 고려대, 숙명여대, 충남대, ㈜엔씨디, ㈜야스, 등과 컨소시엄을 구성해 향후 3년간 탠덤 셀 원천기술 확보와 상업화에 나선다는 계획이고 이 연구에 약 200억원을 투입한다.


탠덤 셀은 기존 실리콘 태양광 셀 위에 차세대 태양광 소재인 페로브스카이트를 쌓는 형태로 제작, 기존 실리콘 태양광 셀 대비 높은 효율을 얻을 수 있다고 회사 측은 설명했다. 한화솔루션 관계자는 "실리콘 태양광 셀의 이론 효율한계가 29% 수준인 것에 비해 탠덤 셀의 최대 효율은 44%까지 가능하다"며 "2023년 상용화를 목표로 텐덤 셀 연구를 추진 중이며, 올해부터 관련 전문인력도 꾸준히 영입할 예정"이라고 말했다.

미국에서는 태양광 스타트업 EMC가 미 에너지부의 연구개발 지원을 받아 페로브스카이트 태양광 모듈 제조를 위한 저비용 공정을 개발하고 있다. EMC는 한때 필름의 대명사로 꼽히던 이스트만 코닥과 손잡고 코닥의 롤투롤(roll-to-roll·플라스틱이나 금속 호일 등의 얇은 소재로 감겨진 회전롤 위에서 전자 기기를 제조하는 방식) 프린팅 기술을 활용해 100% 페로브스카이트 태양광 모듈을 양산한다는 계획이다. 스테판 디루카 EMC 최고경영자는 "이 공정기술이 완성되면 연간 4GW(기가와트)에 달하는 태양광 모듈을 생산할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이밖에 영국 옥스퍼드대 연구진이 창업한 옥스퍼드PV는 지난해 12월 페로브스카이트-실리콘 하이브리드 전지로 29.5%의 발전 효율을 기록했다고 밝혔다. 폴란드 사울 테크놀로지스, 중국 태양광업체 선테크와 트리나솔라 등도 페로브스카이트 태양전지의 효율성을 높이는 연구를 진행 중이다. 

 

석상일 UNIST 에너지화학공학과 교수는 "페로브스카이트는 기존 실리콘 태양전지를 대체하는 용도가 아니라 실리콘에 접목해 기존 실리콘 태양전지의 경쟁력을 높이는 보조제로 활용될 것"이라며 "현재까지 농촌이나 산에서 사용한 실리콘 태양전지는 무게나 디자인, 효율성 측면에서 건축물이 많은 도시에 사용하기 적합하지 않기 때문에 앞으로 도심에서 페로브스카이트 태양전지의 활용도가 높아질 것으로 예상한다"고 말했다.

 

출처 : Chosun Biz

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