Nikkei Business_2018. 7.30 테크노 트렌드 (p60~62)

Techno Trend
페로브스카이트 형 태양전지 실용화
싸고 얇은 차세대 태양전지의 주역

일본에서 탄생한 차세대 기술, ‘페로브스카이트(Perovskite)형(型) 태양전지’의 실용화가 초읽기에 들어갔다. 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며 얇고 구부릴 수 있기 때문에 자동차 측면이나 돔 구장의 지붕 등에도 사용할 수 있다. 발전 효율은 현재 주류인 실리콘 형을 거의 따라잡고 있으나, 대형화와 내구성이 과제로 남아 있다.

겉보기에는 마치 ‘검은색 클리어파일’ 처럼 보인다. 얇고 가벼우며 손으로 구부릴 수도 있다. 그러나 자세히 보면 전기를 통과시키기 위한 금속선이 옆으로 뻗어 있다. 첨부된 사진은 도시바(東芝)와 신 에너지∙산업기술종합개발기구(NEDO)가 올해 6월에 발표한 신종 태양전지이다. 재료의 결정구조에서 따온 명칭으로 ‘페로브스카이트 형’이라고 불리고 있다. 일본 발(發) 차세대 태양전지의 주역으로, 노벨상 유력후보로도 지목되고 있다.

“저렴한 비용으로 간단히 만들 수 있으며 그 용도 또한 다양하다. 혁신적인 태양전지라고 할 수 있다”. 이렇게 자신 있게 말하는 것은 2009년에 논문을 공개하여 이 분야에서 1인자로 잘 알려진 도인요코하마(桐蔭横浜)대학의 미야사카(宮坂) 특임교수이다. 과거에는 발전효율 등의 과제가 남아있었으나, 그 잠재력에 착안한 전세계의 대학 및 기업들이 개발 경쟁을 벌임으로써 성능이 급속도로 향상되어 실용화를 눈 앞에 두고 있다.

페로브스카이트 형을 ‘혁신적’이라고 하는 데는 크게 4가지 이유를 들 수 있다. 첫 번째는 ‘저렴한 비용’으로 제조할 수 있다는 점이다. 페로브스카이트는 복수의 원소에 의해 만들어지는 결정 구조를 가리킨다. 태양전지용에는 일반적으로 납이나 요오드 등이 사용된다. 이 페로브스카이트를 액체에 녹여 부드러운 필름 등의 기판에 도포한 뒤, 충분히 건조시켜 전극 등을 배치하여 완성시킨다.

현재 주류인 실리콘 형에서는 제조공정에서 진공상태로 만들거나 약 1,400도로 가열할 필요가 있다. 그런 반면, 페로브스카이트 형은 기판에 재료를 칠하기만 하면 되므로 대규모 장치가 필요 없다. 손쉽게 구할 수 있는 물질을 사용하기 때문에 조달 비용 또한 저렴하다. 재료와 제조 설비를 포함해 실리콘 형의 절반 이하의 비용으로 제조할 수 있다고 추정된다.

두 번째는 ‘얇고 잘 구부러진다’는 점이다. 실리콘 형은 딱딱하고 무겁기 때문에 넓고 평탄한 토지 및 내하중성(耐荷重性)이 높은 건물의 옥상 등으로 설치 장소가 한정되어 있다. 그와 반대로, 얇고 가벼운 페로브스카이트 형 태양전지는 진한 갈색을 띠고 있지만 재료의 조성과 두께를 조절함으로써 반투명하게도 만들 수 있다. 빌딩의 유리창 등에도 응용이 가능하다고 한다.

-- 발전 효율은 20%를 돌파 --
세 번째는 ‘발전 효율이 높다’는 점이다. 최신 실리콘 형 태양전지는 광 에너지의 25%정도를 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 현 시점에서도 얇고 구부러지는 태양전지가 존재하지만, 대표격인 ‘유기박막형’의 발전 효율은 10%정도에 그치고 있다.

미야사카 씨가 발표했을 당시에는 페로브스카이트 형의 발전 효율이 4%정도였으나, 10년이 채 안 되는 동안 20%를 돌파했으며, 2017년에는 한국의 연구팀이 22.7%를 달성했다. 이론상의 발전 효율은 30%를 넘을 수 있다고 되어 있어, 가까운 미래에 실리콘 형을 뛰어 넘게 될 것으로 많은 전문가들은 보고 있다.

네 번째는 방사선에 대한 내성이 높으며 ‘우주에서의 활용’이 기대된다는 점이다. 우주항공연구개발기구(JAXA)와 미야사카 씨 팀은 인공위성 등으로의 탑재를 목표로 페로브스카이트 형 태양전지를 개발하고 있다. 우주공간에서 강렬한 방사선에 노출되면 태양전지의 발전 효율은 저하된다. 따라서 방사선의 내성을 가진 배터리 재료의 개발이 요구된다.

가벼움과 발전 효율을 양립시킬 수 있다는 점도 우주에서의 용도로 적합하다. 경량화는 인공위성 발사 비용의 삭감으로 직결된다. JAXA에서 개발을 하고 있는 미야자와(宮澤) 연구원은 “민간기업이 인공위성의 개발에 잇따라 참여함으로써 보다 저렴한 태양전지가 요구되고 있다”라고 말한다.

그러나, 실용화를 위해서는 몇 가지 넘어야 할 장애물이 있다. 우선, ‘대형화’가 있다. 기판의 면적을 대형화 할수록 발전 효율은 낮아진다. 불순물의 혼입 등 결정 구조의 붕괴가 발생되기 쉬울 뿐만 아니라, 적절한 두께로 균일하게 도포하는 것이 어려워지기 때문이다. 최근 발표된 페로브스카이트 형 태양전지는 발전효율이 높은 반면, 1개의 변이 수 cm정도로 작은 것이 많다는 것이 현재 실정이다.

-- 인쇄기술로 대형화를 목표 --
이 문제에 ‘인쇄기술’의 응용으로 도전하고 있는 것이 도시바이다. ‘애플리케이터(약·화장품·칠 따위 도포 기구)’로 불리는 금속봉과 기판을 평행으로 설치해, 페로브스카이트를 함유한 잉크 상태의 액체를 떨어뜨린다. 액체가 금속봉과 기판의 양쪽에 부착되어 있는 동안 기판을 움직이게 한다. 표면장력으로 액체의 상태가 안정되어 있기 때문에 액체를 균일하게 도포할 수 있다고 한다. 기술자의 역량에 좌우되지 않는 것도 이점으로 작용한다.

도시바와 NEDO는 올해 6월, 703㎠인 대형이면서도 변환 효율이 11.7%인 페로브스카이트 형 태양전지 모듈을 개발했다고 발표했다. 도시바연구개발센터 트랜스듀서(변환기)기술 연구실의 아마노(天野) 주임연구원은 “오랜 시간 축적해 온 인쇄기술을 활용했다. 작년에 비해 면적을 30배가까이 늘릴 수 있었지만, 발전 효율은 떨어지지 않았다”라고 말한다. 실용화의 기준이 되는 900㎠까지 앞으로 얼마 남지 않았다.

또 다른 장애물은 ‘제품 수명이 짧다’는 것이다. 페로브스카이트 형은 열이나 습기에 약해, 실리콘 형에 비해 내용연수(耐用年數)가 짧다.

파나소닉은 ‘페로브스카이트 구조의 불안정성’이 내구성을 좌우한다고 생각해, 최적의 재료 구성을 연구하고 있다. 신재료를 추가해 2016년에 고온 다습한 환경에서 실험한 결과, 발전효율은 실험 전의 95%를 유지할 수 있었다고 한다. 그 이후로도 계속해서 개발을 추진하고 있다.

기존 형 태양전지는 해외제조사의 공세로 가격 경쟁이 격화되고 있다. 국내에서는 메가 솔라(출력이 1㎿（1000㎾）가 넘는 대규모 시스템)등 대규모 도입이 일순하여 향후에는 빌딩이나 주택의 유리창 등 소규모의 수요 개척이 과제로 남아 있다. 얇고 가벼운, 비용 경쟁력에서 뛰어난 페로브스카이트 형을 발 빠르게 실용화한 기업에게는 커다란 비즈니스 찬스가 눈 앞에 펼쳐지게 될 것이다.

페로브스카이트 형 태양전지는 미야사카 씨에 의해 10년정도 전에 발표되었지만, “너무 혁신적이었던 탓에 해외 연구자 쪽에서 먼저 관심을 보였다. 국내에서의 연구가 본격화 된 것은 최근 몇 년 사이에 일어난 것이다”(미야사카 씨)라고 한다. ‘일본 발 기술을 어떻게 발전시켜 나갈 것인가?’ 라는 관점에서도 페로브스카이트 형 태양전지는 하나의 시금석이 될 것이다.

 -- 끝 --