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Nikkei X-TECH_2021.4.26

도쿄를 꿈의 발전소로 바꿀 것인가？
도시바의 페로브스카이트 태양전지

도시바가 개발하고 있는 페로브스카이트 태양전지가 ‘꿈’의 차세대 태양전지로서 세계의 주목을 받고 있다. 필름형에 경량인데다 구부릴 수가 있고 게다가 변환 효율도 높다. 이러한 특징을 활용해, 일반적으로 보급되고 있는 결정 실리콘 태양전지에서 페로브스카이트 태양전지로 대체하는 것을 목표한다.

기존의 결정 실리콘 태양전지를 설치할 수 없었던 빌딩 벽이나 곡면을 그리는 지붕 등에도 설치할 수 있다. 결정 실리콘 태양전지 수준의 변환 효율을 실현한다면 ‘공터가 적은 도시 지역에도 메가솔라를 구축해서 원자력발전소 10기 이상과 동등한 전력을 발전할 수 있다. 즉, 주력 전원으로서 사용할 수 있는 가능성이 있다”(도시바연구개발센터 나노재료∙프런티어연구소의 도도리(都鳥) 연구원).

실용화 목표는 2025년이다. 탄소 중립 도시가 확대되고 있는 흐름을 잘 타게 된다면 이노베이션(기술혁신)을 일으킬 가능성을 안고 있다고 기대한다.

-- 곡면에 설치할 수 있는 페로브스카이트 태양전지 --
결정 실리콘 태양전지는 실리콘이 빛을 흡수해 발전한다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 대신에 저온 도포로 제작할 수 있는 페로브스카이트라고 불리는 결정구조의 재료를 이용해 발전한다. 이 페로브스카이트 결정의 발전 층막은 얇아도 변환 효율이 높은 특징을 갖는다.

결정 실리콘 태양전지의 셀은 실리콘의 잉곳(Ingot)을 자른 웨이퍼로 제조한다. 이에 대해 페로브스카이트 결정의 셀은 원료가 되는 용액을 기판 위에 도포해 제조한다. 여기서 도시바는 메틸암모늄납트리요오드화물(CH₃NH₃PbI₃)를 채용. 원료의 용액을 건조시킬 때의 가열 온도는 100℃ 정도로 낮다. 제작 시에 1,500℃ 이상의 고온이 되는 결정 실리콘 태양전지와 달리 플라스틱 필름 기판을 사용할 수 있다. 그 때문에 얇고 구부릴 수 있는 셀∙모듈을 제조할 수 있다.

구부릴 수 있다는 것은 쉽게 깨지지 않는다는 것과 같은 의미다. 즉, 우박이나 싸라기눈이 내리거나 강풍으로 날라온 물건과 충돌해도 깨지지 않는다. 표면에 강화유리 등의 보호재를 붙여 비산(飛散)을 방지할 필요가 없다. 이것도 결정 실리콘 태양전지보다 경량에 저가 설치가 가능한 이유 중 하나다.

결정 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있는 높은 변환 효율도 포인트다. 현재는 개발 중인 페로브스카이트 태양전지의 싱글셀 공인 변환 효율은 21.6%(1.0㎠)다. 26.7%의 결정 실리콘 태양전지에는 아직 미치지는 못하지만 “대면적에 고효율인 결정 실리콘의 프리미엄 버전 수준의 변환 효율을 목표한다”라고 당당하게 말한다.

페로브스카이트는 결정화하기까지의 시간이 상당히 짧다. 그 때문에 균일한 막 형성이 어렵고, 대면적에서는 변환 효율이 떨어지는 과제가 있었다. 그러나 도시바는 제조 방법을 연구해 18년 8월, 면적 703㎠의 필름형 모듈로 11.7%라는 인증 변환 효율을 달성했다. 면적이 큰 필름형 모듈로서는 전세계에서 최고 수치라고 한다(21년 4월 시점). 도시바는 면적 900㎠에서 15.0%를 목표로 기술 개발을 추진하고 있다.

-- ‘대 면적에서는 효율 저하’라는 과제를 극복 --
대 면적에서의 균일한 발전막 제작을 실현하기 위해 도시바는 크게 2개의 방법을 실시했다. 하나는 재료 용액의 표면 장력을 활용해 균일하게 도포하는 ‘메니스커스(Meniscus) 도포법’이다. 다른 하나는 재료의 용액을 2회로 나눠서 도포하는 ‘2 스텝 프로세스’다.

페로브스카이트 태양전지는 다음과 같은 제조 프로세스를 거친다. 우선, 패터닝한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 기판 위에 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 투명 전극을 제작하고, 그 위에 플러스 전하를 흘려 보내는 ‘정공 수송층’과 ‘페로브스카이트 활성층’, 마이너스 전하를 흘려 보내는 ‘전자 수송층’를 성막한다. 이어서 스크라이브로 칼집을 내서 셀로 분리한다. 금속 전극을 성막한 후에 전극을 분리하면 분리된 셀이 직렬로 접속하는 모듈이 생긴다.

메니스커스 도포법은 이 중에 정공 수송층과 페로브스카이트 활성층, 전자 수송층의 성막에 사용한다. 재료를 도포하는 토대와 Applicator Head 사이에 빈틈을 만드는 것이 포인트다. Applicator Head에 재료의 용액을 떨어뜨리면, 이 빈틈에 용액 ‘웅덩이’가 생긴다. 이 상태에서 기판을 움직이면 다소 Applicator Head가 오르내리더라도 용액을 균일하게 도포할 수 있다.

페로브스카이트 활성층을 성막할 때는 재료의 요오드화납(PbI₂) 용액을 도포한 후에, 요오드화메틸암모늄(CH₃NH₃I) 용액을 도포한다. 이것이 2 스텝 프로세스다.

메틸암모늄납트리요오드화물(CH₃NH₃PbI₃) 용액을 한번에 도포하는 방법도 있다. 1회 도포로 성막할 수 있기 때문에 효율은 좋지만 대면적에서의 균일한 제어가 어려워 변환 효율의 재현성이 낮았다. 이에 대해 2 스텝 프로세스는 2회 도포할 필요가 있지만, 변환 효율의 재현성이 상대적으로 높고, 대면적화가 용이하다는 이점이 있었다. 도시바는 이 점을 평가했다.

그러나 요오드화납(PbI₂)과 요오드화메틸암모늄(CH₃NH₃I)의 반응을 제어하는 노하우가 필요해진다. 거기에 도시바의 ‘독자적인 노하우’가 있는 것 같다.

“페로브스카이트 태양전지는 태양전지의 비즈니스 모델을 바꿀 가능성이 있다”(도도리 연구원). 가볍고 구부릴 수 있는 페로브스카이트 태양전지는 곡면의 빌딩 벽에서도, 무거운 결정 실리콘 태양전지를 얹을 수 없는 지붕 위에서도 장착할 수 있다. 접착제나 양면 테이프로 붙일 수 있기 때문에 한번 붙이면 제거하는 데 수고와 비용이 드는 결정 실리콘 태양전지와는 달리 제거가 쉬워 비용도 들지 않는다.

“소비자는 구입하지 않아도 리스해서 설치한 후에 보다 고성능의 태양전지가 개발된다면 교환하는 것도 생각할 수 있다”(도도리 연구원).

공터가 적은 도시지역에서 대면적의 메가 솔라를 구축할 수 있고, 리스로 이용하는 방법도 생각할 수 있는 페로브스카이트 태양전지. 도시바는 2025년의 실용화를 위해 가일층의 변환 효율의 향상이나 비용 삭감을 추진하고 있다.

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