신재생 에너지 한국 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율 달성과 2024년 상용화 목표

2024년 5월 탄소중립을 위한 신재생 에너지 기술 개발이 시급한 가운데 한국화학연구원이 유니테스트와 협업해 중국이 보유한 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀 세계 최고 효율을 갱신하며 국제공인증인을 받았다. 2024년 상용화를 목표로 설비를 구축 중이다. 

 

한국화학연구원과 유니테스트의 협업 태양전지 세계 최고 효율 달성

한국화학연구원(화학연, 원장 이영국)과 유니테스트(대표 김종현)는 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀(200 제곱센티미터 이상) 생산기술을 공동으로 개발해 20.6%로 세계 최고의 효율성을 달성하고 국제 공인 인증 효율을 획득했다.

 

 국제 인증은 2024년 5월 7일 독일 국제 공인 인증기관인 '프라운호퍼'로부터 받았다. 조만간 미국 재생에너지연구소(NREL)의 태양전지 최고효율 차트에 등재될 예정이다. 

 

화학연의 페로브스카이트 태양전지. dongascience

 

 그간 중국의 중국의 19.2퍼센트가 최고였는데 한국팀이 이를 넘어선 것이다. 상용화를 위해서는 소면적이 아니라 대면적에 적용할 기술이 필요하다. 전문가들은 효율을 고작 0.5% 끌어올리는 데도 엄청난 노력이 필요하다고 말한다. 

 

 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 대면적 셀의 이론적 한계 효율은 약 27% 수준이다. 아직까지 20%를 넘어선 기술이 없었는데 한국이 국제 최초로 20%대에 진입했다. 

 

 효율을 높이려면 소재 최적화, 코팅 균일화, 레이저 공정 최적화 과정이 필수인데 전부 까다롭다. 대면적 소자의 다양한 요소를 최적화하는 과정이 현재 기술 수준으로는 매우 어려워 한계에 도전하고 있다. 

 

 지금까지는 실리콘 태양전지가 주류인데 실리콘의 한계를 극복하기 위해 페로브스카이트-실리콘 탠덤(다중 접합) 태양 전지 개발에서도 고성능 소재 발굴과 최적화, 대면적 균일 코팅 기술 개발은 필수적이다.

 

 실리콘 태양전지는 고온의 공정이 필요해 전력소모가 커서 비용이 많이 들고 무겁다. 페로브스카이트는 광전효율이 높고 만드는 공정이 간단한 데다 비용이 저렴하다. 광전효율은 광자의 움직임을 전기로 전환할 때의 효율이다. 

 

 페로브스카이트 태양전지는 액체 용액 상태여서 유리나 플라스틱 필름에 바르기만 하면 된다. 두께는 실리콘 전지의 100분의 1 수준으로 얇다. 

 

 페로브스카이트는 티탄산 칼슘으로 이뤄진 칼슘 타이타늄 산화광물이다. 이 광물을 1839년 우랄산맥에서 처음 발견한 러시아 과학자의 이름을 따서 명명되었다. 사면체, 팔면체 등 입방체의 결정구조를 가지는 물질이고 결정에 따라 반도체, 부도체, 도체의 성질과 초전도 성질을 갖는다. 

 

 페로브스카이트의 단점은 수분과 열에 취약하다는 점이다. 안정성을 높이기 위해 첨가제를 넣는 방법이 있고 실리콘 전지와 페로브스카이트를 융합한 하이브리드 방식이 있다. 

 

페로브스카이트 태양전지 상용화 2024년 목표

신재생에너지를 대표하는 태양전지에는 여러 종류가 있다. 1세대는 실리콘 태양전지, 2세대는 박막태양전지이다. 페로브스카이트 태양전지는 가장 최근에 개발된 3세대 태양전지이고 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용한다. 

 

 위의 이번 공동 연구의 성과에서 나온 단일 접합 태양전지 대면적 셀 고성능화가 탠덤 태양전지 대면적 셀 및 모듈 성능 향상을 이끌 핵심 기술이다. 연구팀은 자체 소재 합성 최적화 및 코팅 균일화, 레이저 파워 최적화로 우수한 성과를 냈다. 

 

 특히 이번에 개발한 제작기술은 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 대면적 공정에 직접 적용이 가능하다. 조기 상용화를 위해 매우 중요한 핵심 기술이다. 화학연은 개발한 대면적 셀을 바탕으로 옥외 실증 테스트를 진행하는 등 기업 상용화에 실질적인 역할을 수행하고 있다. 

 

 유니테스는 이 기술을 토대로 태양전지 상용화를 본격 추진하고 있다. 2024년 연내에 실내용 페로브스카이트 태양전지 양산을 목표로 설비를 구축하고 있다. 

 

  페로브스카이트는 유리에 직접 인쇄할 수 있다. 유니테스트는 유리창호형 페로브스카이트 태양전지 사업화를 꾀하고 있고, 자동차 생산업체와 함께 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지를 파노라믹 솔라루프에 장착하고 있다.

 

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맺음말

2024년 5월 탄소중립을 위한 신재생 에너지 기술 개발이 시급한 가운데 국내 연구진 한국화학연구원이 중견기업 유니테스트와 협업해 중국이 보유한 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀 세계 최고 효율을 갱신하며 국제공인증인을 받았다. 2024년 상용화를 목표로 설비를 구축 중이다.