태양광의 ‘다음 단계’: 결정질 실리콘에서 페로티타나이트로, 변환 효율은 어디까지 높아질 수 있을까?

지난 10년 동안 태양광 발전의 킬로와트시당 비용은 90% 이상 감소했는데, 이는 결정질 실리콘 전지의 지속적인 원가 절감과 효율 향상 덕분이었다. 하지만 결정질 실리콘 기술은 서서히 한계에 다다르고 있으며, 업계는 ‘페로티타나이트’라는 신소재에 주목하기 시작했다.

1. 결정질 실리콘은 왜 한계에 다다랐는가

단결정 실리콘 태양전지의 실험실 효율은 이미 26.8% 정도에 도달했으며, 이론적 한계는 약 29%이다. 다시 말해, 과거에는 재료 정제와 공정의 미세한 혁신을 통해 효율을 1% 포인트씩 높이는 데 드는 비용이 적었으나, 이제는 그 대가가 점점 더 커지고 있다. 효율을 더 높이려고 하면 비용 대비 효율이 더 이상 매력적이지 않게 된다.

2. 페로티타나이트란 정확히 무엇인가

페로브스카이트는 특정 광물이 아니라, 특정한 결정 구조를 가진 유기-무기 할로겐화물 계열의 물질입니다. 이 물질은 흡광 능력이 매우 뛰어나고, 밴드갭을 유연하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 무엇보다도 용액 공정을 통해 마치 인쇄하듯이 도포할 수 있어, 이론적으로 고온 결정 성장 공정이 필요한 결정질 실리콘보다 제조 비용이 훨씬 저렴합니다.

3. 적층 방식이야말로 더 현실적인 길이다

순수 페로브카나이트가 단결정 실리콘을 직접 대체하기는 쉽지 않지만, 두 층을 겹쳐 놓으면 기발한 해결책이 됩니다. 단결정 실리콘은 장파장 적색광을 흡수하고, 페로브카나이트는 단파장 청색광을 흡수하여 두 스펙트럼 대역에서 각각 필요한 부분을 취합니다. 선도 기업들이 발표한 적층형 인증 효율은 이미 34%를 돌파했는데, 이는 단결정 실리콘으로는 도달하기 어려운 수준이다.

4. 진정한 걸림돌은 안정화와 증폭이다

실험실에서 작은 칩의 효율이 아무리 뛰어나더라도, 이를 제곱미터 단위로 확대했을 때 균일성을 보장해야 한다면 이야기가 달라진다. 페로티타나이트는 물과 산소에 약하고 광학적 감쇠가 쉬워, 캡슐화와 수명(예: T80, 즉 광학 성능이 80%로 떨어지는 데 걸리는 시간)은 피할 수 없는 난관이며, 납의 이동 위험도 자주 거론되는 문제입니다.

따라서 태양광의 ‘다음 단계’는 어느 기술이 어느 기술을 대체하는 것이 아니라, 적층 기술을 통해 효율의 상한선을 한층 더 높여 업계에 다음 단계의 원가 절감 여지를 마련해 준 것이다.