매달 날아오는 전기세 고지서에 한숨만 쉬고 있나요? 탄소중립, 신재생에너지 같은 말들이 너무 거창하고 나와는 상관없는 이야기처럼 들리시나요? 하지만 기존 실리콘 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘어 우리 집 전기세를 획기적으로 줄여줄 게임 체인저가 등장했습니다. 바로 ‘페로브스카이트 태양전지’ 이야기입니다. 이 이름이 조금 낯설고 어렵게 느껴질 수 있지만, 이 글을 다 읽고 나면 여러분의 생각은 완전히 바뀌게 될 것입니다.
페로브스카이트 태양전지 핵심만 콕콕
- 기존 실리콘 태양전지의 이론적 효율 한계(쇼클리-콰이저 한계)를 뛰어넘는 차세대 태양전지입니다.
- 실리콘과 결합한 ‘탠덤 태양전지’ 기술로 광전 변환 효율을 44%까지 끌어올릴 수 있습니다.
- 저렴하고 간단한 용액 공정으로 제작 가능해 생산 단가를 낮추고, 유연성과 투명성을 갖춰 활용 분야가 무궁무진합니다.
왜 지금 페로브스카이트에 주목해야 할까
우리가 현재 가장 널리 사용하는 태양전지는 실리콘 태양전지입니다. 기술이 성숙하고 안정적이지만, 빛 에너지를 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 이론적으로 최대 29~30%를 넘기 어렵다는 명확한 한계에 부딪혔습니다. 이를 ‘쇼클리-콰이저 한계’라고 부릅니다. 더 효율적인 태양광 발전을 위해 과학자들은 이 한계를 뛰어넘을 새로운 소재를 찾아왔고, 그 해답으로 떠오른 것이 바로 페로브스카이트입니다.
페로브스카이트, 대체 정체가 뭐길래
페로브스카이트는 특정 결정 구조(ABX3)를 가진 물질을 통칭하는 이름입니다. 유기물, 무기물, 할로겐화물을 조합하여 만들 수 있는데, 이 구조가 빛을 흡수하여 전기를 만드는 데 아주 탁월한 능력을 보여줍니다. 실리콘 태양전지가 수백 마이크로미터(μm) 두께의 웨이퍼로 만들어지는 것과 달리, 페로브스카이트 태양전지는 수백 나노미터(nm) 두께의 얇은 박막(코팅)만으로도 충분한 효율을 낼 수 있습니다.
효율 30%의 벽을 넘은 탠덤 태양전지 기술
페로브스카이트의 진정한 잠재력은 다른 종류의 태양전지와 결합했을 때 폭발합니다. 특히 현재 시장의 주류인 실리콘 태양전지와의 결합이 주목받고 있는데, 이를 ‘탠덤 태양전지’라고 부릅니다. 탠덤(Tandem)은 ‘두 개가 나란히 연결된’이라는 의미로, 서로 다른 특성을 가진 두 개의 태양전지를 위아래로 쌓아 효율을 극대화하는 기술입니다.
실리콘과의 완벽한 시너지
탠덤 태양전지는 태양광 스펙트럼을 더 넓게 활용하는 원리입니다. 위층의 페로브스카이트 셀이 자외선이나 가시광선 같은 단파장(에너지가 높은 빛)을 먼저 흡수해 전기를 만들고, 아래층의 실리콘 셀이 페로브스카이트를 통과한 장파장(에너지가 낮은 빛)을 흡수해 다시 한번 전기를 만듭니다. 이렇게 하면 각 셀이 단독으로 있을 때 놓치던 빛까지 모두 에너지로 전환할 수 있어 이론적으로 효율을 44%까지 높일 수 있습니다.
세계가 주목하는 효율 경쟁
전 세계 연구기관과 기업들은 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀의 효율을 높이기 위해 치열한 기술 경쟁을 벌이고 있습니다. 미국의 국립재생에너지연구소(NREL)가 공인하는 ‘최고 효율 차트’는 그 경쟁의 장과도 같습니다. 한국의 한국화학연구원(KRICT)을 비롯해 독일, 중국, 미국 등의 연구진들이 연이어 세계 최고 효율 기록을 경신하고 있으며, 이는 페로브스카이트 기술의 발전 속도가 얼마나 빠른지를 보여줍니다.
꿈의 기술, 상용화를 향한 과제
이처럼 놀라운 잠재력에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지가 우리 집 지붕에 설치되기까지는 몇 가지 넘어야 할 산이 있습니다. 바로 안정성과 환경 문제입니다.
안정성, 내구성, 수명 확보의 길
초기 페로브스카이트 소재는 수분과 산소, 빛과 열에 매우 취약하다는 단점이 있었습니다. 이로 인해 시간이 지나면서 효율이 급격히 떨어지는 열화 현상이 발생했습니다. 하지만 최근에는 소재의 결함을 제어하고, 표면 처리(패시베이션) 기술을 개발하며, 외부 환경으로부터 셀을 보호하는 봉지 기술(캡슐화)이 발전하면서 안정성이 크게 향상되었습니다. 국내 연구진은 고온·고습 환경에서 1,000시간 이상 작동해도 초기 효율의 85% 이상을 유지하는 기술을 개발하기도 했습니다.
납(Pb) 이슈, 피할 수 없는 숙제
고효율 페로브스카이트 소재에 미량의 납(Pb)이 포함된다는 점은 환경 문제에 대한 우려를 낳았습니다. 이에 과학계에서는 납 성분을 인체에 무해한 주석(Sn) 등으로 대체하려는 Pb-free 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 아직 납 기반 셀만큼의 효율에는 미치지 못하지만, 꾸준한 연구개발을 통해 격차를 줄여나가고 있습니다.
대면적 생산과 저비용 공정
페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 장점 중 하나는 저비용 대량생산이 가능하다는 것입니다. 실리콘 태양전지는 고온의 진공 공정이 필요하지만, 페로브스카이트는 잉크젯 프린팅이나 스핀 코팅 같은 간단한 용액 공정으로 만들 수 있습니다. 특히 신문처럼 돌돌 말아서 인쇄하는 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정을 적용하면 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있어 상용화의 문턱을 낮추고 있습니다.
페로브스카이트가 바꿀 미래
페로브스카이트 태양전지는 단순히 전기를 생산하는 것을 넘어 우리의 생활 공간과 라이프스타일을 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.
도시를 발전소로, 건물 일체형 태양광 (BIPV)
가볍고, 유연하며, 심지어 투명하게 만들 수 있는 페로브스카이트의 특성은 건물 일체형 태양광(BIPV, Building-Integrated Photovoltaics) 시스템에 최적화되어 있습니다. 앞으로는 건물 외벽이나 유리창 자체가 태양광 패널이 되어 도시 전체가 하나의 거대한 발전소가 될 수 있습니다. 이는 국토가 좁고 고층 건물이 많은 환경에 특히 유리한 기술입니다.
일상 속으로 들어온 태양광
페로브스카이트의 활용 분야는 무궁무진합니다. 차량 선루프에 적용해 주행 중 배터리를 충전하거나, 옷이나 가방에 부착하는 웨어러블 기기의 전력원으로 사용할 수 있습니다. 또한, 흐린 날이나 실내의 약한 빛으로도 발전이 가능해 사물 인터넷(IoT) 센서의 독립 전원으로 활용될 수 있습니다.
투자 관점에서 본 페로브스카이트
페로브스카이트 태양전지는 탄소중립 시대를 이끌 핵심 기술로 주목받으며, 관련 기술을 연구개발하는 기업들에 대한 투자자들의 관심도 뜨겁습니다. 이는 신재생에너지 시장의 성장과 함께 미래 가치가 매우 높은 분야임을 의미합니다.
주목해야 할 관련주
페로브스카이트 태양전지 기술의 발전과 상용화에 따라 국내 여러 기업이 관련주로 주목받고 있습니다. 각 기업은 소재, 장비, 셀/모듈 생산 등 다양한 분야에서 기술 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있습니다.
| 기업명 | 페로브스카이트 관련 사업 분야 |
|---|---|
| 유니테스트 | 페로브스카이트 태양전지 양산 라인 구축 및 상용화 추진, 한국화학연구원과 대면적 셀 공동 개발 |
| 한화솔루션 (한화큐셀) | 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀 개발 및 상용화 선도, 안정성 문제 해결 기술 보유 |
| 신성이엔지 | 탠덤 셀 기술 개발 및 고효율 태양광 모듈 생산 |
| 필옵틱스 | 페로브스카이트 태양전지 레이저 패터닝 장비 개발 |
| 주성엔지니어링 | 태양전지 박막 증착 장비 기술 보유 |
| SDN | 태양광 발전 시스템 및 모듈 공급, 탠덤 셀 관련 기반 기술 보유 |
| 솔루엠 | 실내광 발전에 유리한 페로브스카이트 기술 적용 가능성 |
