실리콘 태양전지보다 더 빛난다...태양광 발전 판도 바꿀 '이 기술'

신병하 KAIST 신소재공학과 교수/사진=KAIST

"실리콘 기반 태양전지에서 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지로 갈아 탈 때입니다."

신병하 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 신소재공학과 교수(학과장)는 "실리콘 기반 태양전지는 실질적인 효율의 한계에 다다랐다"며 이같이 말했다.


우리나라 환경에서 가장 이상적인 신재생에너지로 태양광 발전을 꼽는다. 정부는 2030년 신재생에너지 발전량 중 절반 이상이 태양광 발전에서 나올 것으로 전망한다. 태양광 발전의 기술력은 태양전지가 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 비율, 즉 '광전환 효율'에 달렸다. 현재 가정과 산업에서 가장 널리 사용되는 실리콘 기반 태양전지의 최고 효율은 26.1%(단결정, 비집광 기준)까지 도달했지만, 더 이상의 발전을 기대하기 힘들다는 게 과학기술계 전반적 평가다.

실리콘 기반 태양전지의 이론적인 최대 광전환 효율은 29%로 알려져 있다. 태양은 파장이 250~2500nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)에 이르는 다양한 빛을 지상으로 보내는 데, 실리콘 태양전지는 이중 500~1000nm의 빛만 활용할 수 있다. 파장이 1000nm가 넘는 빛은 태양전지를 통과해 버리고 500nm 이하 빛은 흡수는 되지만 열로 전환돼 날아가 버리기 때문에 이같은 물리적 한계가 있다는 설명이다.

이런 한계를 극복하기 위한 대안으로 가장 주목받는 것이 '페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지'다. 이는 빛 흡수가 뛰어나고 전하 이동이 쉬워 광전환 효율이 상대적으로 뛰어나다. 게다가 기존 태양전지보다 제조 비용도 저렴하다.



신병하 교수는 16일 서울 코엑스A홀 컨퍼런스C에서 열리는 '2024 테크마켓'에서 실리콘 기반 태양전지의 단점을 개선한 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지를 선보일 예정이다.

신 교수는 서울대, 세종대, 미국 국립재생에너지연구소 등과 함께 페로브스카이트에 기존 실리콘 태양전지나 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 만든 CIGS 태양전지를 결합해 '탠덤(Tandem) 태양전지'를 개발했다. 이는 현재 26.7%의 높은 광전환 효율을 나타낸다.

페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지는 효율성이 좋지만 아직 여럿 단점이 있다. 가장 큰 문제는 전지 내구성이 약하다는 것이다. 빛이나 열에 의해 작동이 불안정해질 수 있고 수분 등 외부환경에 민감하다.

신 교수는 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에 특정 음이온 첨가제를 넣으면 내부에 형성되는 2차원 안정화층의 전기적, 구조적 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 사실을 이론적으로 규명하고, 고해상도 투과전자현미경으로 이를 직접 확인했다. 음이온 조절에 따라 태양광을 1000시간 연속으로 비춰도 안정성이 처음 상태의 80% 넘게 유지됐다.

또 신 교수팀은 내구성 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트에 기존 실리콘 태양전지 혹은 CIGS 박막 태양전지를 덧댔다. 이러면 수분, 빛, 열 등의 외부 환경에 대한 내구성이 개선될 뿐만 아니라 광전환 효율 역시 더 높아진다는 설명이다.

신 교수는 "페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제 상용화를 고민하는 시기"라며 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 또 "이번 연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것"이라고 덧붙였다.

신 교수는 해당 기술을 이번 테크마켓에서 만난 에너지 관련 스타트업이나 한화큐셀과 같은 태양광 에너지 솔루션 대기업에 이전하거나, 공동·협력R&D를 통해 더 고도화할 계획이다. 그는 "최근 가볍고 구부릴 수 있는 박막 태양전지 모듈을 개발해 도심 빌딩, 자동차 외부, 산업단지 지붕에 도입하려는 중소기업과 우주 태양전지 산업을 추진하고 있는 우주 스타트업이 찾아온 적 있다"며 "현재 태양전지 시장의 90% 이상이 실리콘 기반이며, 대부분 중국업체가 점유하고 있는 데 이번 기술이전을 통해 국내 기업들이 차별화된 경쟁력을 가질 수 있도록 지원할 것"이라고 말했다.

한편, 2024 테크마켓은 머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'가 내달 16일 서울 삼성동 코엑스 A홀에서 개막하는 '그린비즈니스위크 2024(GBW 2024)'의 특별 부대행사로 마련했다. 과학기술정보통신부와 카이스트, 대구경북과학기술원(DGIST), 울산과학기술원(UNIST), 광주과학기술원(GIST) 등 4대 과기원이 공동으로 개최하는 이번 행사는 우수 R&D(연구개발) 성과를 국내 대·중견·중소기업, 스타트업에 소개·이전해 기존 제품·서비스를 고도화하고 글로벌 경쟁력을 강화할 것으로 보인다.

특히 이번 행사는 기존 과기원별 단독 설명회와 달리 과기원 4곳이 한데 모여 준비하는 통합형으로 치뤄지는 데다 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 AI(인공지능) 기반 공공 R&D 기술사업화 유망성 탐색 플랫폼 '아폴로'(Apollo)를 통해 선정된 기술과 궁합이 맞는 기업을 매칭, 기술이전 및 사업화 성공률을 더 높였다는 점에서 주목을 받는다. 아폴로는 기업들이 필요로 하는 기술이 무엇인지 진성 수요를 파악하고, 선정된 기술에 관심을 가질만한 수요기업을 예측해 알려준다. 또 해당 기술로 개발한 제품·서비스 관련 시장 규모와 경쟁사 분석 정보도 제공한다.

행사장엔 4대 과기원 공동상담부스가 설치돼 핵심기술 8건에 대한 일대일 현장상담이 이뤄질 예정이다. 뿐만 아니라 바이오, 2차전지, 디스플레이 등 국가 12대 전략기술과 탄소 중립 관련 기술에 관심있는 기업들에 대한 R&D 사업 자문도 지원한다.

[머니투데이 스타트업 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리']