신 성 식_ 한국화학연구원 광에너지융합소재연구센터 선임연구원
서 장 원_ 한국화학연구원 광에너지융합소재연구센터 책임연구원
노 준 홍_ 고려대학교 건축사화환경공학부 조교수

Ⅰ. 서 론

페로브스카이트 결정 구조를 갖는 AMX3 할로겐화물은 최근 이 물질이 갖는 우수한 광전기능성 물성으로 인하여 크게 주목을 받고 있다. 특히 150도 이하의 저온에서 고품질의 결정의 제조가 가능하고 이 결정의 광전기적 물성이 태양전지의 광활성 층으로 사용하기에 아주 적합한 특성을 갖고 있어 더욱 그렇다.[1] 이 물질을 광활성 층으로 사용하여 제작된 태양전지를 페로브스카이트 태양전지로 부른다.
인류의 에너지 사용량은 인구의 증가와 삶의 질의 향상으로 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 현재 사용되는 일차 에너지 원들은 주로 화석연료에 기반을 두고 있어 온실가스 배출로 인한 기후 변화 문제에서 자유롭지 못하다. 다양한 종류의 신재생에너지원 중 태양광에너지를 직접 전기에너지로 변환할 수 있는 태양전지는 미래 기후변화 대응을 위한 가장 잠재력이 높은 기술로 받아들여지고 있다. 또한, 결정질 실리콘 태양전지가 최근 가격 경쟁력을 갖으면서 태양전지 시장이 급격히 팽창할 것으로 기대된다. 하지만 태양전지로부터의 전기에너지 생산 단가는 광전변환효율과 생산, 설치, 유지 단가와 연관되어있기 때문에 지속적 효율 향상 및 단가 저감을 위한 기술적 발전이 요구되고 있다. 또한, 유틸리티 발전용 태양전지 시장뿐만 아니라 도로, 건물 등에 설치할 수 있는 태양전지, 휴대 가능한 태양전지, 차량용 태양전지, 낮은 광량에서도 구동 할 수 있는 실내용 광전변환전지 등에 관한 새로운 시장 수요가 생겨날 것으로 예측되기 때문에 태양전지 기술의 도약이 필요한 시점이다.
페로브스카이트 태양전지는 기존의 보고된 태양전지와는 전혀 다른 차원의 잠재력 보이고 있다. 현재 미래형 태양전지에 요구되는 조건을 대부분 만족할 수 있는 유일한 태양전지 기술로도 생각되어진다. 앞서 언급한 바와 같이 미래형 태양전지 기술은 고효율, 저가, 유연화, 경량화가 요구되고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 150도 이하의 저온에서 용액공정을 통하여도 22% 이상의 효율 구현이 가능하여 경량의 유연 기재에서도 고효율이 가능하다는 가능성을 갖고 있다. 이는 활용 가능성 측면에서 볼 때 페로브스카이트 태양전지 기술은 유틸리티부터 휴대용 태양전지 까지 넓은 스펙트럼을 갖는 것을 의미한다.
2012년 성균관대학교 박남규 교수 연구팀에서 용액공정으로 10% 수준의 전고체형 페로브스카이트 태양전지가 발표된 이후 급격한 효율의 발전으로 현재 22.1% 최고 효율이 보고되었다.[2,3] 기존의 어느 태양전지에서도 볼 수 없었던 효율의 발전 속도를 보이며, 미래형 태양전지로의 높은 가능성으로 현재 가장 높은 관심을 받고 있는 태양전지 기술이라 해도 과언이 아닐 것이다. 하지만 상용화를 위한 기술적 장벽의 극복의 과제 역시 존재한다. 잠재력이 높지만 이 높은 잠재력을 실현하여 고효율 저가의 미래형 태양전지로 구현하기 위해서는 지속적 단위 소자의 광전 변환 효율 향상 기술, 장기 수명을 보장할 수 있는 장기 안정성 구현 기술, 단위 소자의 고효율 기술을 대면적 모듈로의 구현 기술 개발이 요구되고 있다. 또한 기술적 발전은 제품의 시장 진입에 의한 주변 기술의 동반 발전과 기업들 간의 경쟁 발전을 통해 가속화 될 수 있다. 따라서 페로브스카이트 태양전지 단독 시장 진입의 어려움을 기존의 시장을 선점하고 있는 결정질 실리콘 태양전지와의 접목을 통해 극복 할 수 있을 것으로 기대된다. 이와 관련된 실리콘-페로브스카이트 텐덤 기술은 페로브스카이트 태양전지의 사업화 모델로 크게 주목 받고 있으며 동시에 기존의 결정질 실리콘 태양전지의 최고 효율 극복, 더 나아가 단일 접합 태양전지의 이론적 한계 효율을 저가의 용액 공정으로 극복할 수 있는 모델로 최근 아주 중요하게 받아들여지고 있다.
본 글에서는 이러한 페로브스카이트 태양전지의 기술적 이슈를 중점으로 현재 기술 동향을 소개하고자 한다. 페로브스카이트 태양전지의 주요 이슈로 광전변환효율의 발전 동향, 장기 안정성 개선 기술 동향, 대면적 모듈 기술 동향, 텐덤화 기술 동향에 최근 중요 기술을 살펴보고자 한다.

자세한 내용은 본지 11월호에서 확인하실 수 있습니다.