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지속 가능한 에너지 생산과 날로 심해지는 기후변화에 대한 전 세계적인 관심이 급증하면서 탄소발생이 없는 신재생에너지 활용, 그중에서도 특히 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지 기술의 중요성이 크게 주목받고 있다. 참고로, 아직 태양광과 태양열을 혼동하는 경우가 자주 있는데, 태양열 기술은 햇빛의 열을 직접 활용하거나 증기를 만들어 발전을 하는 방식으로 태양광 발전이나 태양전지와는 상이한 기술이다. 본론으로 돌아오면, 우리나라에서도 지속적으로 태양전지 분야 연구 개발에 투자하고 태양광 발전 보급량을 늘리기 위한 노력이 있어 왔지만, 선진국은 물론 다수의 개발도상국과 비교해도 아직 실질적인 투자와 보급량이 절대적으로 부족한 상황이다. 얼마 전 발표된 이재명 정부 국정 운영 5개년 계획(안)에 따르면, 이번 정부에서도 태양광 분야에 대한 적극적인 지원 계획을 가지고 있어서 재생에너지 중심 에너지 대전환(산업부), 순환경제 생태계 조성(환경부), 균형 성장 거점 육성(새만금 수상태양광, 국토부/산업부), 농산어촌 에너지 전환(영농형, 농식품부) 등의 국정 과제에 명시되어 있고, 에너지 고속도로 건설, 기후테크 산업 육성, 태양광 사용처 다변화 등 다수의 실행 전략에 구체적인 추진 방향이 제시되어 있다.

이처럼 중요한 태양에너지 활용 기술은 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있는데, 그중 가장 대표적인 특징은 안전하지만 에너지밀도가 낮다는 점이다. 화력, 원자력 등 에너지밀도가 높은 에너지원은 필연적으로 위험성을 가지게 되지만, 태양에너지는 단위 면적당 조사되는 에너지의 양이 작은 대신 건강을 위해 선탠을 할 정도로 안전하여 우리 생활 주변 어디에서나 활용이 가능한 에너지원인 것이다. 태양전지는 이처럼 안전하지만 에너지밀도가 낮은 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이기 때문에, 100% 변환이 된다고 하더라도 생산되는 에너지의 밀도는 필연적으로 낮을 수밖에 없다. 현재 상용화된 실리콘 기반 태양전지 패널의 변환 효율이 22% 수준임을 고려하면 대략 1㎡ 당 220W의 전력이 생산되고, 단순한 계산으로 하루 평균 6시간 구동을 가정하면 1㎡ 당 약 1.3kWh, 연간 약 482kWh의 전기에너지 생산이 가능하다.

탠덤 태양전지 개요

이처럼 낮은 에너지밀도를 개선할 유일한 방법은 태양전지의 변환 효율을 극대화하는 것인데, 태양전지는 한계 효율인 33% 이상의 변환 효율을 가질 수 없음이 이론적으로 보고된 바 있다.¹⁾ 상용 실리콘 태양전지의 경우, 실험실 수준의 소자에서는 이미 이론적 한계 효율에 접근하고 있기 때문에 에너지밀도 향상 속도가 느리고 추가되는 비용이 급격히 증가하는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 현재 전 세계적으로 탠덤 태양전지 기술이 활발하게 개발되고 있다.²⁾ 탠덤 태양전지는 두 개 이상의 서로 다른 밴드갭 에너지를 가지는 태양전지를 직렬로 적층하여 제작되는데, 각 태양전지가 각자의 밴드갭 에너지에 적합한 파장의 태양빛을 선택적으로 흡수하여 잉여 에너지가 열로 손실되는 thermalization 손실을 최소화할 수 있고, 결과적으로 태양전지의 이론적 한계 효율이 높아지게 된다. 예를 들어, 한 종류의 물질로 이루어진 태양전지는 최대 33% 효율을 가질 수 있지만, 두 종류의 물질을 조합할 경우 46%까지 가능하고, 물질의 수를 계속 늘려가면 이론적으로는 60% 이상의 변환 효율도 가능해지는 것이다 (그림1).

탠덤 태양전지를 구성하는 서로 다른 태양전지들은 기본적으로 광흡수 물질의 밴드갭 에너지를 기본으로 선택이 되기 때문에, 다양한 반도체 물질이 활용될 수 있다. 그중에서 현재 가장 활발히 연구되고 있는 물질은 페로브스카이트라고 불리는 새로운 유무기 복합 소재인데, 혼합물 성격의 기존 유무기 복합체와는 달리, 물질의 결정 구조 내에 유기 이온과 무기 이온을 모두 가지고 있는 진정한 의미의 유무기 복합 소재이기 때문에 특이하고 우수한 새로운 물성 구현이 가능하다. 예를 들어, 물질의 밴드갭을 다양한 범위에서 조절이 가능하고, 유기물 수준의 유연성과 낮은 공정 온도를 가지면서도 무기물 수준의 광흡수 성능을 보여주고 있다. 이러한 페로브스카이트 태양전지는 단일 소재 태양전지로서도 이미 실리콘 태양전지의 성능을 능가하였고, 특히 다양한 종류의 다른 태양전지와 결합되어 탠덤 태양전지로 제작될 경우 그 활용도가 더욱 커질 수 있음이 확인되어 현재 가장 활발히 연구되고 있다.³⁾

이번 신기술 통향에서는 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 다양한 기술이 소개될 예정이고, 본 기고에서는 전체적인 개요 및 박막형 탠덤 태양전지 동향에 대해 간단히 설명하고, 이어지는 기고에서 가장 활발히 연구 개발이 이루어지고 있는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지와 상용화를 위해 개발되고 있는 진공 공정 기반 페로브스카이트 태양전지 기술에 대해 더 자세히 소개하고자 한다.

페로브스카이트 기반 박막형 탠덤 태양전지

페로브스카이트 기반 박막 태양전지는 상대적으로 큰 밴드갭 에너지를 가지는 페로브스카이트 상부셀과 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 다양한 박막 태양전지 하부셀을 결합하여 구성된다. 대표적인 박막 하부셀의 종류로는 Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS), Cu2ZnSn(S,Se)₄ (CZTSSe) 등의 칼코제나이드 박막 태양전지,^{4) 5)}저밴드갭 페로브스카이트 태양전지,⁶⁾ 유기태양전지(OPV),⁷⁾가 있고, 각 종류에 대한 간단한 설명이 아래 표1에 제시되어 있다. 이러한 페로브스카이트 기반 박막 탠덤 태양전지는 페로브스카이트 태양전지 분야의 수월성을 확보하고 있는 국내 연구진이 전 세계적으로 선도적인 연구 개발을 수행하고 있고, 그중 본 연구팀에서는 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지와 페로브스카이트/CZTSSe 박막 탠덤 태양전지의 현재 기준 세계 최고 효율을 보유하고 있다.^{5) 8) 9)}

이처럼 다양한 종류의 페로브스카이트 기반 박막형 탠덤 태양전지 중 가장 상용화에 가까운 것은 칼코제나이드 하부셀을 사용한 탠덤 태양전지이다. 특히, CIGS 하부셀은 이미 상용화 기술이 확보된 박막 태양전지로 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 기술과 유사성이 높아 많은 관심을 받고 있다. 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 CIGS 박막 태양전지 하부셀 위에 페로브스카이트 박막 태양전지를 직접 적층하여 단일형 2단자(monolithic 2-terminal) 구조로 제작된다(그림2).

페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 현재 인증 최고 효율이 26.3%로 34.9%의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지보다 아직 효율이 낮지만, 다음의 여러 가지 측면에서 실리콘 탠덤 소자에 비해 장점을 가진다.

• 밴드갭 제어: 실리콘은 1.1eV로 밴드갭이 고정되어 있기 때문에, 페로브스카이트 상부셀의 밴드갭도 약 1.7eV 정도로 고정되어야 한다. 페로브스카이트 태양전지가 일반적으로 1.55eV 정도에서 최고 효율을 나타내기 때문에 성능의 감소가 발생하고, 특히 고밴드갭 형성을 위해 필수적인 할로겐 혼합 조성이 광조사나 구동 시 상분리로 이어지는 불안정성이 발생하는 문제점이 있다. 하지만, CIGS 태양전지는 In/Ga 비율이나 Se/S 비율 조절을 통해 밴드갭 제어가 가능하고, 단일 셀에서 최적 조건인 1.14eV 보다 낮은 약 1.05eV의 밴드갭을 가지도록 조정하면 페로브스카이트 상부셀을 더 최적화된 조성으로 제작할 수 있어 좀 더 높은 변환 효율과 안정성 확보가 가능할 것으로 기대된다.
• 경량화: 실리콘 태양전지는 indirect bandgap 물질로 광흡수 특성이 좋지 않아 태양빛을 최대로 흡수하기 위해 최소 수백 마이크론 이상으로 두껍게 제작되기 때문에 필연적으로 무게가 늘어나게 되지만, CIGS는 direct bandgap을 가지기 때문에 1~2 마이크론의 얇은 두께로도 태양빛을 충분히 흡수할 수 있고, 소자의 경량화가 가능하다. 따라서, 우주용 태양전지, 드론/자동차 등 모빌리티용 등의 다양한 응용이 가능해진다.
• 유연화: 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 고분자나 금속 포일에 제작이 가능하고, 얇은 두께로 곡면 형태의 제작이 가능하다. 소위 폼팩터 프리 소자 제작이 용이해지는 것이고, 앞의 경량화 특성과 더불어 기존 실리콘 태양전지가 대응할 수 없는 다양한 분야에 적용이 가능하도록 하는 장점이 된다.
• 방사선 내성: 저궤도(LEO) 위성을 포함한 우주형 태양전지는 향후 가장 크게 성장할 분야 가운데 하나이다. 상용화된 실리콘 태양전지는 우주 환경, 특히 방사선 조사 조건에서 특성이 열화되는 특성을 가지고 있어 사용에 제약이 있기 때문에, 아직까지 우주용으로는 III-V 반도체 기반의 태양전지가 사용되고 있다. III-V 태양전지는 단결정 기판에 다층의 단결정 박막을 에피 성장시켜야 하기 때문에, 제작 비용이 매우 큰 문제점을 가지고 있지만, 현재 대안의 부재로 계속 사용되고 있는 상황이다. 하지만, CIGS와 페로브스카이트 두 물질 모두 방사선 내성이 우수한 것으로 알려져 있기 때문에, 고효율이 담보된 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 III-V 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 우주용 소자로 가장 기대되는 태양전지이다.

이처럼 많은 장점을 가지는 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지이지만, 상용화를 위해서는 아직 해결해야 할 문제들도 다수 존재한다.

• 장기안정성: 비단 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지만의 문제가 아닌 전체 페로브스카이트 기반 태양전지의 문제점이지만, 페로브스카이트 소재가 가지는 불안정성 문제가 해결되어야 한다. 다행히 습기, 산소 등의 침투 문제는 적절한 봉지 기술로 해결이 가능한 상황이고, 더 근본적인 고밴드갭 페로브스카이트의 상분리 문제나 고온 열안정성 문제의 추가적인 해결을 통해 장기 안정성을 확보해야 한다.
• 계면제어: 실리콘 하부셀과 달리 CIGS 하부셀은 표면의 미세 거칠기가 상당히 크고 하부셀 표면의 화학적 특성 역시 공정이나 환경에 영향을 받는다. 이는 균질한 페로브스카이트 상부셀 형성 및 상부셀과의 전기적 접합 형성에 문제점으로 작용한다. 따라서, 더 우수한 접합 특성을 가질 수 있도록 새로운 계면 소재나 구조 개발이 지속적으로 이루어져야 한다.
• 대면적화: 실리콘 하부셀 기반의 탠덤 태양전지는 약 20×20㎠ 크기를 가지는데, 전체 소자의 크기가 하부셀에 의해 결정되기 때문에 상부셀 역시 비슷한 면적에서 균일도를 확보하면 된다. 하지만, CIGS 및 기타 박막 태양전지는 모듈 면적이 2㎡ 이상으로 실리콘에 비해 훨씬 크기 때문에 대면적화로 인한 불균일성 문제가 크게 작용하여 소위 cell-to-module 차이가 큰 문제점이 있다. 게다가 페로브스카이트 상부셀은 대면적 형성 기술이 아직 완전히 확보되지 않은 상황이기 때문에 박막 탠덤 모듈 제작을 위한 대면적화는 더욱 어려운 상황이다. 다행히 CIGS 하부셀은 이미 모듈화 기술이 개발되어 있기 때문에, 기존 기술을 탠덤 소자에 맞춰 최적화하는 상대적으로 손쉬운 기술 개발이 필요하고, 동시에 페로브스카이트의 대면적화 기술 개발이 진행되어야 한다.

맺음말

본 기고를 통해 향후 가장 기대되는 태양전지인 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지, 그중에서도 일반적인 발전용은 물론 우주용, 모빌리티용, 건물 일체형 등 다양한 분야에 활용될 것으로 예상되는 CIGS 하부셀을 가지는 박막형 탠덤 태양전지에 대해 간단히 소개하였다. 아직 일부 해결해야 할 문제점이 남아 있지만, 현재 국내외 다수의 대학, 연구소, 및 기업에서 전방위적인 연구개발이 이루어지고 있기 때문에 조만간 해결이 될 것으로 기대된다.