[첨단 헬로티]

실리콘 태양전지 기술에 돌파구가 생겼다. 실리콘 태양전지는 현재 태양광 산업 대부분을 차지하는 주요 기술이다. 그런데 이 태양전지는 효율을 높이거나 제조비용을 낮추는 부분에서 이미 한계에 도달했다는 평가를 받아왔다. 그런데 한계에 도달한 이 태양전지를 다시금 업데이트할 수 있는 기술이 개발됐다. 최경진, 신명진 UNIST 신소재공학부 교수는 패로브스카이트 태양전지를 더해 효율을 높일 수 있는 ‘탠덤(Tandem)’ 기술을 개발했다고 밝혔다.

▲ 왼쪽부터 UNIST 최경진 교수, 송명훈 교수 <사진 : UNIST>

치킨게임으로 번진 실리콘 태양전지 시장, 기술력으로 뒤엎는다

세계적으로 재생에너지에 대한 관심이 높아지면서 태양광 시장에 불이 붙었다. 특히 태양광 산업 대부분을 차지하는 실리콘 태양전지는 경쟁이 심각하다.

실리콘 태양전지의 기술은 이미 한계치에 이르러 이제는 각 기업마다 가격으로 승부하는 ‘치킨게임’에 이르렀기 때문이다.

실리콘 태양전지의 효율은 이론적 최대효율은 29%에 육박하는 26.6%에 이르렀다. 반면, 태양전지 단가는 1와트 당 0.16달러(PREC 태양전지) 이하로 떨어졌다.

UNIST 신소재공학부 최경진 교수는 “중국을 중심으로 불어닥치는 가격 주도형 ‘태양광 치킨게임’의 영향으로 실리콘 태양전지의 제품가격은 꾸준히 하락해 손익분기점을 위협하는 수준에 이르렀다”며 “향후 국내 태양광 기업이 생존하려면 태양전지 효율을 혁신적으로 높여야 한다”고 진단했다.

이에 UNIST 최경진, 송명훈 교수 공동연구팀은 신성이엔지와 함께 ‘일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지(Monolithic perovskite/silicon tandem solar cells)’를 개발했다. 이 기술은 기존 실리콘 태양전지 공정을 그대로 활용하면서 효율을 높일 수 있어 추후 상용화에 대한 기대가 높은 편이다.

실리콘 태양전지의 효율과 단가 문제를 해결할 유력한 후보

이번에 개발된 ‘페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지’는 한계치에 이르렀다고 평가받는 실리콘 태양전지의 기술적 한계를 우회적으로 극복하면서 효율과 단가 문제를 해결할 가장 유력한 방법으로 꼽힌다. 기존 실리콘 태양전지 생산공정을 그대로 쓰면서 페로브스카이트 태양전지의 장점을 더해 저비용·고효율 태양전지를 제작할 수 있기 때문이다.

태양전지는 태양광을 흡수한 반도체가 전기를 생산하는 장치다. 물질마다 흡수할 수 있는 태양광의 범위가 다르므로, 단일 물질만 쓰면 효율을 높이는 데 한계가 있다.

제1저자인 김찬울 UNIST 신소재공학과 석·박사통합과정 연구원은 “단일 접합 태양전지에서는 태양광 흡수 범위가 정해져 있어, 다른 영역의 태양광은 투과되거나 열에너지로 낭비되는 문제가 있다”며 “다중 접합 태양전지는 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 ‘탠덤 구조’라 투과되거나 낭비되는 에너지를 최소화할 수 있다”고 설명했다.

▲ 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지의 모습 <사진 : UNIST>

동일 탠덤 구조에서 세계 최고 기록 확보

사실 탠덤 태양전기가 만들어진 것은 이번이 처음이 아니다. 기존에도 갈륨(Gs)과 비소(As) 등을 활용한 반도체로 탠덤 태양전지를 만든 적이 있다. 하지만 비싼 재료와 공정 장비를 사용해 상용화는 쉽지 않았다.

하지만 이번 연구에서는 단가를 낮춰 상용화 역시 충분할 것으로 예상된다. 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 현재 태양전지 시장의 주류를 차지하며 제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지(p-Si Al-BSF Solar Cell)를 아랫부분에 활용했다. 윗부분에는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 쌓았는데, 광학 계산 설계로 최적 효율을 얻는 구조로 만들었다. 그 결과 개발된 저비용·고효율 탠덤 태양전지의 효율은 21.19% 효율로 동일 탠덤 구조에서 세계 최고 기록을 확보했다.

최경진 교수는 “태양광 산업에서도 핵심 원천 기술을 확보해 국제적 경쟁력을 갖춰야 살아남을 수 있다”며 “국내 최초로 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 도전해 저비용·고효율을 달성한 이번 연구가 국내 태양광 산업 성장에 이바지할 수 있을 것”이라고 전망했다.

한편, 이번 연구는 에너지 분야에서 세계 최고 수준의 과학저널인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 3월 19일(화) 온라인 판에 발표됐다. 연구 수행은 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.