신소재 '탠덤' 태양전지, 중국이 장악한 실리콘 전지 넘어선다

[그린비즈니스위크 2024] 4대 과학기술원 공동 테크마켓 <신병하 KAIST 신소재공학과 교수>

신병하 한국과학기술원 신소재공학과 교수가 16일 서울 강남구 코엑스에서 열린 '그린비즈니스위크 2024' 특별부대행사 4대 과학기술원 공동 테크마켓에서 '전이금속 칼코지나이드 기반 태양전지 및 광전기화학셀'을 주제로 발표하고 있다. /사진=김휘선

"중국이 90% 이상 장악한 실리콘 기반 태양전지에서 한 발 나아간 차세대 '탠덤 태양전지'의 시대가 곧 열릴 것이다."

16일 서울 삼성동 코엑스에서 열린 '4대 과학기술원 공동 테크마켓'(이하 테크마켓)에서 신병하 카이스트(KAIST·한국과학기술원) 신소재공학과 교수(학과장)는 "차세대 태양광전지 시장은 이미 경쟁이 치열하다"며 이같이 말했다.

신 교수는 IBM에서 태양전지 소재를 연구하다 2014년부터 카이스트에 합류한 태양전지 소재 전문가다. 지구상에서 범용성이 좋은 소재로 고효율 태양전지를 만들 수 있도록 연구해왔다. 현재 태양광전지는 대부분이 실리콘을 기반으로 만들어졌고 이는 중국이 시장 대부분을 장악하고 있다. 그러나 실리콘 기반 태양전지의 최대 효율은 26.1%(단결정, 비집광 기준) 수준에 그친다. 실리콘 특성상 이보다 높은 효율은 기대하기 어렵다는 것이 업계의 평가다.

신 교수는 실리콘의 한계를 극복할 수 있는 신소재로 '페로브스카이트'를 소개했다. 빛 흡수가 뛰어나고 전하 이동이 쉬워 광전환 효율이 상대적으로 뛰어나다. 게다가 기존 태양전지보다 제조 비용도 저렴하다. 다만 페로브스카이트는 구조적 안정성 때문에 상업화가 어려웠다. 이에 기존 실리콘에 페로브스카이트를 첨가한 '탠덤 태양전지'를 개발했다.

신 교수는 "실리콘 기반으로 형성된 기존 인프라를 그대로 이용한 채 차세대 신소재인 페로브스카이트를 사용할 수 있도록 한 것이 탠텀 태양전지"라며 "페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에 특정 음이온 첨가제를 넣으면 내부에 형성되는 2차원 안정화 층의 전기적, 구조적 특성을 쉽게 조절할 수 있다는 사실을 이론적으로 규명하고 고해상도 투과전자현미경으로 이를 직접 확인했다"고 설명했다.

실제 신 교수는 미국 에너지부 산하 국립재생에너지연구소(NREL)에서 탠덤 태양전지로 효율 25%를 인정받았다. 실리콘 기반 태양전지가 20%대 효율을 얻기까지 40년이상이 걸렸지만 탠덤 태양전지는 15년 안에 성공했다는 설명이다. 그는 중국이 실리콘 기반 태양전지 시장을 장악한 것을 두고 '시장 왜곡'이라고 지적했다.

실리콘 기반 태양전지를 만들 때 대량의 전기가 필요하다. 이 과정에 중국 정부가 전기비 등을 지원하면서 상당한 가격 경쟁력을 갖게 됐다. 이 때문에 신기술 개발 유인인 경제성 허들이 비정상적으로 높아졌다는 설명이다.

그는 "기술은 아무리 싸도 진보가 이뤄지지 않으면 사라질 수밖에 없다"며 "페로브스카이트란 광물 결정 구조의 이름인데, 세계적으로 이에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다"고 말했다. 이어 "향후 5년간 관련 분야에서 치열한 경쟁이 벌어질 것"이라고 말했다.

'그린비즈니스위크(GBW) 2024'의 부대행사로 마련된 테크마켓은 △과학기술정보통신부 △카이스트(KAIST), 대구경북과학기술원(DGIST), 울산과학기술원(UNIST), 광주과학기술원(GIST) 등 4대 과학기술원이 주최하고, 머니투데이 스타트업 전문 미디어 플랫폼 '유니콘팩토리'와 한국과학기술정보연구원(KISTI) 데이터분석본부가 주관했다. 사업화 유망 기술을 한 자리에 만날 수 있다.

한편, 이날 테크마켓 행사에서는 UNIST 외에도 △KAIST △DGIST △GIST 등 4대 과기대의 주요 기술 발표가 이어졌다. 발표 중간마다 수요기업을 대상으로 각 과기대 교수 및 연구자와 일대일 상담 및 컨설팅도 진행됐다.

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