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1. 페로브스카이트 태양광 기술 개요
1.1. 페로브스카이트 물질의 특성
페로브스카이트 물질의 특성은 다음과 같다.
페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질과 초전도 현상을 모두 가지는 특이한 물질이다. 화학식 AMX3의 구조를 가지는데, 중심 원자M은 납(Pb)이나 주석(Sn)이 주로 사용되며, A는 메틸암모늄(CH3NH3+)이나 포르마마이드(HC(NH2)2+)와 같은 유기 양이온, X는 할로겐 이온(Br-, Cl-, I-)으로 구성된다. 이러한 페로브스카이트 물질의 구조적 특징으로 인해 전하 수송 속도가 매우 빨라 높은 광전효율을 나타낸다.
구체적으로 페로브스카이트 물질은 다음과 같은 특성을 가진다. 첫째, 광 흡수 능력이 뛰어나 얇은 두께로도 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다. 둘째, 전자와 정공의 수명이 길고 확산 길이가 길어 전하 수집 효율이 높다. 셋째, 결정립 크기와 표면 특성을 쉽게 조절할 수 있어 전하 수송 및 추출이 용이하다. 넷째, 저온 용액 공정으로 제작이 가능하여 대면적 생산과 유연성이 높다. 다섯째, 다양한 유기-무기 물질 조합이 가능하여 광학적, 전기적 특성을 폭넓게 튜닝할 수 있다.
이처럼 페로브스카이트 물질은 우수한 광전 특성과 함께 저렴한 제조 비용, 대면적 생산 가능성 등의 장점을 가지고 있어 차세대 태양전지 소재로 크게 주목받고 있다.
1.2. 페로브스카이트 태양전지의 발전
페로브스카이트 태양전지는 지난 10년간 비약적인 발전을 거듭해왔다. 2009년 Miyasaka 교수 연구진이 처음으로 페로브스카이트 물질을 사용하여 3.8%의 효율을 가진 태양전지를 제작하면서 시작되었다. 이후 2012년 성균관대 박남규 교수 연구팀이 고체 상태 전해질로 페로브스카이트를 사용하여 9.7%의 효율을 달성하면서 연구가 활발히 진행되기 시작했다.
그 뒤 지속적인 연구 개발을 통해 빠르게 효율이 향상되어 2016년에는 22.1%의 효율을 달성하게 되었다. 이는 기존 실리콘 태양전지 대비 매우 경쟁력 있는 수준이었다. 특히 저렴한 소재와 간단한 용액 공정을 통해 제작이 가능하다는 점이 큰 장점으로 부각되었다.
2019년에는 세계 최고 수준인 25.2%의 광전 변환 효율을 달성하면서 실리콘 태양전지와 유사한 성능을 보이게 되었다. 이를 통해 페로브스카이트 태양전지가 향후 차세대 태양전지 기술로 주목받게 되었다. 뿐만 아니라 최근에는 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 구조의 태양전지에서도 29.2%의 높은 효율이 보고되고 있어, 더욱 주목받고 있다.
이와 같이 페로브스카이트 태양전지는 불과 10년 만에 3.8%에서 25.2%까지 효율이 비약적으로 증가하며 기존 실리콘 태양전지를 위협할 수준의 성능을 보여주고 있다. 이는 페로브스카이트 물질 자체가 가진 우수한 광전 특성과 더불어 지속적인 연구개발을 통해 기술이 발전해온 결과라고 할 수 있다.
1.3. 태양전지 기술의 요구사항
태양전지 기술의 요구사항은 크게 효율성, 원가 경쟁성, 충분한 면적 확보 등으로 볼 수 있다.
첫째, 태양전지 기술은 높은 광전 변환 효율을 달성해야 한다. 현재 상용화된 폴리실리콘 태양전지의 최고 효율이 26.1%인 것에 비해, 페로브스카이트 태양전지는 실험실 단계에서 25.2%의 높은 효율을 달성하고 있다. 이는 페로브스카이트 물질의 독특한 구조적 특성으로 인한 것으로, 빛을 받으면 전자와 정공이 빠르게 분리되어 높은 효율이 가능하다. 향후 기술 개선을 통해 30.5%의 이론적 최대 효율에 근접할 것으로 기대된다.
둘째, 태양전지 기술은 저렴한 원가로 대량 생산이 가능해야 한다. 폴리실리콘 태양전지의 경우 결함을 줄이기 위해 두껍고 고순도의 실리콘이 필요하여 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 든다. 반면 페로브스카이트 태양전지는 저온 공정으로 제작이 가능하고 재료비용이 실리콘의 1/3에서 1/8 수준으로 낮아 원가 경쟁력이 뛰어나다. 또한 낮은 가공 온도로 인해 전력비용도 크게 절감할 수 있다.
셋째, 태양전지 기술은 대규모 발전을 위해 충분한 면적 확보가 가능해야 한다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 얇고 가벼우며 유연성이 있어 다양한 활용이 가능하다. 건물 창문, 자동차 지붕, 휴대기기 등 기존에 활용되지 않던 공간에도 태양전지 설치가 가능해져 설치 면적을 크게 확대할 수 있다. 또한 다중접합 구조로 제작하면 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있어 높은 효율의 대규모 발전이 가능할 것으로 기대된다.
이처럼 페로브스카이트 ...
