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- 러시아 정치가이자 광물학자인 Lev Alexejwitsch Perowski 백작의 이름을 따서 명명
- 오늘날 페로브스카이트를 언급할 때 실제로는 원래 광물인 CaTiO3와 동일한 특정 결정 구조를 갖는 물질 종류를 설명하는 것
- 2009년 도쿄대 미야사카 츠토무 연구그룹은 최초의 페로브스카이트 태양전지를 구축
- 중국 태양광 제조업체 Longi는 33.9%의 효율로 페로브스카이트-실리콘 직렬 전지 구축

페로브스카이트: 미래의 태양전지?
새로운 태양전지 소재가 광전지에 혁명을 일으킬 수 있는 방법

"태양광전지"라는 말을 듣는 사람이라면 아마도 집 지붕에 있는 푸르스름하거나 은빛으로 반짝이는 실리콘 모듈을 흔히 떠올릴 것이다. 페로브스카이트 태양전지는 현재 광전지 분야의 차세대 스타로 여겨지고 있다. 무엇이 이 결정질 물질을 그렇게 특별하게 만드는 걸까? 페로브스카이트가 실리콘보다 우월할 수 있을까? 그리고 저렴한 박막 전지의 붐을 가로막는 또 다른 요인은 무엇인가? 최고 효율을 향한 광전지 경쟁에서는 소위 직렬형 태양전지가 현재 최전선에 있다. 실리콘과 페로브스카이트로 만들어진 직렬 전지도 정기적으로 높은 성능을 보여준다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 정기적으로 새로운 기록적인 효율성 수준을 달성했다. 이제 입사 태양 에너지의 전체 33.9%를 전기로 변환할 수 있다. 결국 태양전지가 경쟁을 주도하게 될까? 

▲ 페로브스카이트-실리콘 직렬 태양전지가 광전지의 미래일까? © HZB

광물에서 스타-태양전지까지: 페로브스카이트 화합물의 개발

1839년 독일의 광물학자 구스타프 로제(Gustav Rose)가 러시아를 여행했다. 우랄산맥을 탐험하는 동안 과학자는 암석 샘플을 채취했다. 여기에서 그는 오늘날 태양광 기술에 혁명을 일으킬 것으로 예상되는 파생물을 발견했다고 한다.

로즈가 발견한 광물은 특징적인 입방체 결정 구조를 지닌 결정질 화합물인 티탄산칼슘(CaTiO3)이었다. 이 물질은 러시아 정치가이자 광물학자인 Lev Alexejwitsch Perowski 백작(페로브스카이트)의 이름을 따서 명명되었다.

시간이 지남에 따라 연구자들은 유사한 결정 구조를 가진 광물을 점점 더 많이 발견했다. 그러나 분자식 XYO3를 사용하여 이러한 물질에 대한 새로운 이름을 끊임없이 제시하는 대신 해당 결정 구조를 가진 모든 광물을 페로브스카이트라고 부르는 것이 확립되었다. 오늘날 페로브스카이트에 대해 이야기할 때 실제로는 원래 광물인 CaTiO3와 동일한 특정 결정 구조를 갖는 물질 종류를 설명하고 있다.

▲ 이 검은 물질은 광전지에 혁명을 일으킬 수 있다. © Kelly Nash/mindat.org /CC-by 3.0

산화물 대신 할로겐화물

페로브스카이트는 커패시터, 색 안료 또는 광촉매 생산과 같은 다양한 기술에 유용한 것으로 비교적 빠르게 입증됐다. 1970년대 후반에 독일 과학자들은 소위 금속 할로겐화물 페로브스카이트에 대한 첫 번째 연구를 발표했다. 이전에 알려진 광물 변형과의 차이점은 다음과 같다.

산화물 그룹 대신 이 페로브스카이트는 요오드, 브롬 또는 염소와 같은 할로겐 그룹 원소의 음이온인 할로겐화물을 포함한다. 이 ABX3 분자의 다른 두 위치는 금속과 금속 함유 유기 분자로 채워져 있다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트의 발견은 새로운 기술 개발을 가능하게 했다. 대부분 절연체인 산화물 페로브스카이트와 달리 할로겐화물 변형은 좋은 반도체이기 때문이다. 1990년대 초 뉴욕의 과학자들은 유기-무기 할로겐화물 페로브스카이트를 기반으로 한 최초의 광트랜지스터를 개발했다. 2009년 도쿄대 미야사카 츠토무(Tsutomu Miyasaka)가 이끄는 연구그룹은 최초의 페로브스카이트 태양전지를 구축했다.

▲ 이 푸른색 직렬 전지의 효율은 32.5%다. © Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB

급격한 효율 증가

최초의 페로브스카이트 태양전지는 입사된 햇빛의 3.8%만을 전기로 변환할 수 있었지만 빠르게 발전했다. 불과 15년이 지난 오늘날, 그들은 이미 최대 26.7%의 실험실 효율성을 달성했다. 이는 현재 태양광 시장을 장악하고 있는 다결정 실리콘 셀을 이미 추월했다는 의미다. 다결정 실리콘 셀은 현재 23.3%에 불과하다.

실리콘 태양광 모듈의 효율성은 느리게 발전하거나 심지어 정체되고 있는 반면, 페로브스카이트의 효율성은 2009년 이후 7배 이상 증가했다. 라이프니츠 고체재료연구소(Leibniz Institute for Solid State and Materials Research)의 야나 바인조프(Yana Vaynzof)는 “페로브스카이트 태양전지의 효율성이 급격히 증가하고 생산이 용이해 에너지 전환에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

▲ 어떤 태양전지가 어느 정도 효율을 갖고 있을까. 이 그래픽이 답을 제공한다. © National Renewable Energy Laboratory

페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지

최근 몇 년 동안 페로브스카이트는 소위 직렬형 태양전지에 점점 더 많이 사용되고 있다. 간단히 말하면, 더 높은 수준의 효율을 달성하기 위해 서로 다른 유형의 태양전지를 서로 적층하는 것이다.

아이디어; 태양전지에 사용되는 재료는 해당 재료가 빛의 어느 부분을 효율적으로 흡수하여 전기로 변환할 수 있는지를 결정한다. 직렬형 태양전지를 구축할 때 광전지의 효율성을 더욱 높이기 위해 각각 서로 다른 파장 범위의 빛을 사용하는 다양한 재료를 결합한다.

이런 방식으로 첫 번째 페로브스카이트 실리콘 셀은 14.3%의 효율을 달성했다. 그러나 직렬 전지도 발명 이후 빠르게 발전했다. 특히 최근 몇 년 동안 효율성이 지속적으로 향상되었다. 2022년 12월 베를린 헬름홀츠 센터(HZB)의 직렬 태양전지가 32.5%라는 세계 기록을 세웠다. 중국 태양광 제조업체 Longi는 이제 33.9%의 효율로 페로브스카이트-실리콘 직렬 전지를 구축할 수 있다.

산업용 셀

최초의 페로브스카이트 실리콘 태양전지가 현재 산업적으로 제조되고 있다. 브란덴부르크에 있는 옥스포드 PV 회사는 26.8%의 효율로 이러한 태양전지를 생산한다. 직렬형 태양전지의 상업생산은 2024년 시작될 예정이다. "이 새로운 세계 기록은 우리의 직렬 태양전지가 태양전지 패널에 조립될 때 기록적인 성능을 제공할 수 있다는 것을 증명한다"고 Oxford PV의 David Ward는 말했다.

▲ 효율이 25%인 산업용 규모의 탠덤 PV 모듈은 세계에서 가장 효율적인 실리콘 페로브스카이트 PV 모듈이다. © 프라운호퍼 ISE

Fraunhofer ISE의 ​​광전지 부서 책임자인 Stefan Glunz는 “이것은 직렬형 태양전지를 지금까지 제작된 산업용 형태의 어떤 실리콘 PV 모듈보다 더 효율적으로 만든다”고 한다. "대량 생산과 호환되는 기술을 사용하여 이를 생산했다는 사실은 PV 산업을 위한 직렬 기술의 엄청난 잠재력을 보여준다. 일부 과학자들은 페로브스카이트를 실리콘의 후속 기술로 보기도 한다." 도대체 어떤 특성이 페로브스카이트를 그렇게 강력하게 만드는가? (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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