페로브스카이트 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물이다. 페로브스카이트 태양전지는 페로스카이트를 광급수체로 사용하는 태양전지를 일컫는다. 특히 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 셀(이하 탠덤 셀)은 단파장 빛을 흡수하는 페로브스카이트로 상부 셀을 만들고 장파장 빛을 주로 흡수하는 실리콘 셀을 하부 셀로 만들어 이를 연결한다. 셀 2개를 접합함으로써 상호보완적 빛 흡수 효과를 지닌다.
페로브스카이트는 희귀 물질이 아닌 만큼 소재 공급이 용이하고 실리콘보다 광 흡수력이 뛰어나 적은 양으로도 높은 발전 효율을 낼 수 있다. 탠덤 셀 가운데 상부 셀 소재로 널리 고려된다.
페로브스카이트 태양전지는 태양광 제품 효율과 출력을 높이는 대안으로 주목 받는다. 1000℃ 이상 고온 생산 공정이 필요한 실리콘 태양전지와 달리 400℃ 이하 공정으로 생산 가능하다. 빛을 전기로 전환하는 광전변환효율은 실리콘 태양전지와 비슷하다.
탠덤 셀은 약 10년의 짧은 개발 기간에도 실증 효율이 결정질 실리콘 셀의 이론 한계 효율을 뛰어 넘었다. 독일과 영국에선 발전 효율 29% 이상 제품이 개발됐다. 이론적 한계 효율은 44%에 이른다. 결정 실리콘 셀 이론 한계 효율이 29.1%인 것과 대비된다. 특히 탠덤 셀 실질 생산 한계 효율은 25.5% 이하인 결정 실리콘 셀보다 월등히 높은 것으로 평가된다. 우리나라에선 한화솔루션 큐셀부문(한화큐셀)이 탠덤 셀을 개발하고 있다.
한화큐셀은 탠덤 셀의 환경 안정성을 크게 개선했다. 미국 국립신재생에너지연구소로부터 공인 효율을 인정받았다. 탠덤 셀 제작 이후 30일 이상 외부 환경에 노출돼도 28% 이상 효율을 유지했다.
다만 탠덤 셀 상업화를 위해서는 과제가 남아있다. 페로브스카이트는 수분과 열에 취약하기 때문에 이를 안정화하는 기술이 필요하다. 페로브스카이트를 대량 생산 가능한 인프라 구축도 뒤따라야 한다. 특히 현재 1인치 이하 탠덤 셀을 실리콘 셀 양산 제품 크기인 6인치 이상으로 제작하기 위한 대면적 제조 공정 기술이 요구된다. 다만 한화큐셀은 탠덤 셀을 대면적으로 제작하는 공정 기술을 확보한 것으로 전해진다.
탠덤 셀은 차세대 태양광으로서 세계 각국에서 연구개발(R&D)이 이어지고 있다. 반면에 페로브스카이트 단일 셀 R&D는 우리나라가 앞선 것으로 평가받는다. 울산과학기술원(UNIST) 연구진은 최고 효율이 25.7%에 이르는 페로브스카이트 단일 셀을 개발했다. 한국화학연구원도 25% 이상 높은 효율을 낼 수 있는 페로브스카이트 셀과 핵심 소재 기술 개발에 성공했다.
페로브스카이트 태양전지가 상용화되면 빌딩 외벽과 자동차 선루프 등 곳곳에서 적용될 것으로 기대된다.
류태웅기자 bigheroryu@etnews.com
