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Nikkei X-TECH_2021.12.22

도시바의 아산화동(산화제일구리) 태양전지
4년 후 태양전지만으로 달리는 EV의 실현이 가능할까?

도시바는 2021년 12월, 아산화동(Cu₂O)을 p형 반도체로 하는 태양전지(Cu₂O 태양전지)로 변환효율 8.4%를 달성했다고 발표했다. 이 수치는 2017년 가나자와(金沢)공업대학이 발표한 8.23%를 뛰어넘는 세계 최고 수준이다. 도시바는 이 Cu₂O 태양전지를 결정 Si 태양전지와 접합해 ‘4단자 탠덤’으로 한 태양전지의 종합적인 변환효율은 27.4%로 시산(試算)할 수 있다고 한다.

향후 도시바는 이 4단자 탠덤의 변환효율을 30%로 끌어올려 차량용 태양전지로 사용해나갈 계획이다. 이를 통해 맑은 날일 경우 연료나 전력 계통으로부터의 충전 없이 하루 약 39km를 주행할 수 있는 EV를 실현할 수 있을 것이라고 한다.

변환효율이 30%의 경우, 이 태양전지의 출력은 최대 약 1kW. 축전지를 사용하지 않고 이 출력만으로 EV를 구동하면, 1시간에 1kWh이기 때문에 주행 속도는 최고 12.5 km/시. 평균 속도는 닛케이크로스테크의 추정으로 약 6km/시로 빠른 걸음으로 걷는 정도의 스피드가 된다. 이 때문에 축전지가 필요 없다는 것은 현실적이지 않다.

만일 축전지를 탑재한 EV의 경우, 맑은 날일 때 하루 치의 일사량으로, 약 3.1kWh를 출력할 수 있는 형태로 축전할 수 있다고 한다. 이는 시속 50km의 경우, 약 47분 주행할 수 있는 전력량이다. 매일 맑은 날에 주·정차 및 주행 시 EV가 대부분 햇빛 아래에 있으며, 에어컨 작동 없이 하루에 편도 20분 정도의 거리를 주행할 경우, 전력 계통으로부터의 충전이 필요 없게 된다.

-- 연구 시간은 70년 가깝지만, 성과가 나오기 시작한 것은 10년 전 --
Cu₂O 태양전지는, 동박(銅箔)이라고 하는 흔한 재료를 기본으로 하는 것으로, 저비용으로 제조할 수 있다고 전망되면서 1950년대부터 연구되어왔다. 하지만 2010년까지 변환 효율은 고작 2%대에 불과했다.

2011년 3월, 가나자와공업대학이 드디어 변환 효율 3.26% 달성에 성공, 이후 2012년에 5.38%, 2015년에 6.1%, 2017년에 8%대로 급속히 변환효율을 높여왔지만, 최근 4년간은 정체 상태였다.

이 정체를 깬 것이 이번 도시바의 발표이다. 도시바는 동박이 아닌, 반응성 스패터 장치라는 반도체에서는 저비용에 속하는 기술로 Cu₂O층을 성막했다. 2019년에 출시된 Cu₂O 태양전지의 변환효율은 4.4%였지만, 3년도 채 안돼서 두 배 가까이로 성능을 끌어올렸다. 이러한 성능 향상은 “Cu₂O 발전층의 성막 조건을 최적화하고, 동이나 산화구리 등의 불순물을 억제해 실현할 수 있었다”(도시바)라고 한다.

닛케이크로스테크의 조사에 따르면, 도시바의 이번 발표에서 외부 기관이라는 것은 가나자와공업대학인 것으로 보인다. 변환효율에서는 큰 차이가 없지만, 가나자와공업대학의 Cu₂O층은 가시광선에는 거의 불투명해 탠덤형 태양전지에는 적합하지 않다.

-- 역할 분담으로 고효율 저비용 실현 --
Cu₂O 태양전지의 이론상의 변환효율은 약 20%로 한층 더 높지만, 도시바가 상정하고 있는 것은 이 태양전지를 단독으로 사용하는 것보다 결정 Si태양전지 위에 접합해 사용하는 4단자 탠덤 태양전지로서 이용하는 것이다.

그 이유는 Cu₂O의 밴드갭(Band gap)은 2.2~2.6eV로, 나트륨(Na) 등이 첨가된다고 해도 2eV 전후로 넓기 때문이다. 이는 태양광 중 청색~주황색과 약간 파장이 짧은 빛을 흡수해 전력으로 변환하는데 적합하다는 것을 의미한다.

반면, 결정Si는 밴드갭이 1.1eV로 좁고, 주황색~근적외선이 발전에 사용되고 있는 주요 파장대이다. 이 2종류의 재료를 이용한 태양전지를 조합함으로써 보다 폭넓은 파장의 빛을 발전에 이용할 수 있다. 도시바에 따르면 이론상의 변환효율은 38.3%라고 한다.

화합물 반도체를 이용한 태양전지에서는 이러한 초고효율을 이미 실현하고 있지만, 가격이 일반 태양전지의 수 십~수 백배로 비현실적으로 비싸다. 한편, Cu₂O 태양전지와 결정 Si 태양전지로 이루어진 4단자 탠덤은 가격 상승을 최소한으로 낮춘 상태에서 변환효율을 높일 수 있을 가능성이 있다.

-- 높은 내구성으로 페로브스카이트 태양전지에 대항 --
또한, 결정 Si태양전지와의 4단자 탠덤에서는 도시바도 현재 개발 중에 있는 페로브스카이트 태양전지가 한발 앞서 변환효율 30%대를 이미 달성했다. 변환효율 27%정도의 2단자 탠덤 제품은 2022년 초에 영국의 벤처기업 옥스포드PV가 양산을 시작하는 단계에 있다.

하지만 펠로브스카이트 태양전지는 낮은 내구성이 과제. “펠로브스카이트 태양전지는 물이나 산소에 약해 밀봉하지 않으면 곧바로 열화되어 사용할 수 없게 되지만, 이 Cu₂O 태양전지는 큰 열화 요인이 없고, 밀봉하지 않아도 한동안 이용할 수 있을 가능성이 있다”(도시바). 구체적인 내구성에 대한 데이터는 아직 없지만, 높은 내구성이 펠로브스카이트 태양전지에 대항할 장점이 될 전망이다.

도시바는 페로브스카이트 태양전지와의 공존에 대해 “페로브스카이트 태양전지는 당분간 단독(단접합)으로 사용, (코스트의 저렴함을 살려) 건물 등 움직이지 않는 것을 폭넓게 커버하고, Cu₂O 태양전지는 결정 Si태양전지와의 4단자 탠덤으로 얻을 수 있는 높은 출력을 활용해 자동차 등 움직이는 것, 다시 말해, 각종 모빌리티에 적용해나가는 것이 바람직하다”(도시바)라고 설명한다.

-- 2025년에 4단자 탠덤을 그대로 실용화 --
도시바는 향후, Cu₂O 태양전지의 단독 변환효율을 10%로 높이고, 이와 동시에 결정 Si태양전지의 단독 변환효율을 이번에 달성한 19%에서 20%로 높여 4단자 탠덤에서의 변환효율 30% 달성을 추진하고 있다. 2023년에 샘플 제품을 출하, 2025년에는 실용 크기의 제품을 제조하는 기술을 확립하는 것이 목표이다.

Cu₂O 태양전지의 고성능화는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 사업으로, 이미 올 봄부터 도시바와 도시바에너지시스템즈가 독자적인 자금으로 발전 영역 4cm 크기의 대형 4단자 탠덤 태양전지 모듈을 개발 중이라고 한다.

참고로, 4단자 탠덤은 2개의 셀을 직렬로 연결하는 2단자 탠덤에 비해 변환효율을 높이기 쉽고, 특히 빛의 입사각이 바뀌어도 변환효율이 급감하지 않는다는 강점을 가지고 있다. 하지만 지금까지 양산된 4단자 탠덤형 태양전지는 아직 없다.

이에 대해 도시바는 “4단자 탠덤형 태양전지의 양산 사례가 없는 것은 일반적으로 배선이 부피가 크고, 파워컨디셔너를 2대 마련해야 해 비경제적이라고 여겨졌기 때문이다. 하지만 구체적으로 검토한 결과, 배선은 의외로 콤팩트하게 만들 수 있다는 결론을 내렸다. 또한, 파워컨디셔너의 경우에도 다른 태양광 발전에서도 발전 규모를 확대하기 위해서는 여러 대의 도입이 필요하기 때문에 4단자 탠덤이 특별히 불리한 것은 아니다”라고 한다.

 -- 끝 --

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