울산과기원, 실리콘 태양전지 효율 한계 돌파구 찾았다

최경진·송명훈 교수, 페로브스카이트 적용해 저비용·고효율 전지 개발
효율 21.19%로 최고 수준…기존 실리콘 공정 활용 가능해 상용화 용이

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 한계에 다다른 실리콘 태양전지 효율을 개선하는 기술을 개발했다.

최경진·송명훈 신소재공학부 교수팀은 '일체형 페로브스카이트·실리콘 탠덤(tandem) 태양전지'를 개발했다고 1일 밝혔다.

현재 태양광 산업 대부분을 차지하는 실리콘 태양전지 기술은 효율을 높이거나 제조비용을 낮추는 부분에서 모두 한계에 도달했다.

실리콘 태양전지 효율은 26.6%에 이르러 이론적 최대치(29%)에 육박하고, 단가는 1W(와트)당 0.16달러 이하로 떨어졌다.

중국을 중심으로 저가형 태양전지가 대거 양산되면서 제품가격은 손익분기점을 위협하는 수준에 이르렀다.

앞으로 국내 태양광 산업이 생존하려면 태양전지 효율을 혁신적으로 높여야 할 상황이다.

태양전지는 태양광을 흡수한 반도체가 전기를 생산하는 장치다.

그러나 단일 물질만 쓰는 태양전지는 태양광 흡수 범위가 한정되는 한계 때문에 다른 영역의 태양광은 투과되거나 열에너지로 낭비되는 문제가 있다.

반면에 다중 접합 태양전지는 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓는 '탠덤 구조'여서 투과되거나 낭비되는 에너지를 최소화할 수 있다.

그러나 지금까지 갈륨(Gs)과 비소(As) 등을 활용한 반도체로 태양전지를 만든 시도가 있었지만, 비싼 재료와 공정 장비를 사용하는 문제로 상용화는 어려웠다.

연구진이 개발한 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 현재 실리콘 태양전지의 기술적 한계를 극복하면서, 효율과 단가 문제를 해결할 수 있는 유력한 방법으로 꼽힌다.

연구진은 현재 태양전시 시장의 주류를 차지하면 제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지를 아랫부분에 놓고, 고효율 페로브스카이트 태양전지를 윗부분에 쌓았다.

이렇게 개발된 저비용·고효율 탠덤 태양전지 효율은 21.19%로 동일 탠덤 구조에서 세계 최고 수준을 확보했다.

특히 기존 실리콘 태양전지 공정을 그대로 활용하면서 효율을 높일 수 있어 상용화가 용이할 것으로 기대된다.

최경진 교수는 "태양광 산업에서도 핵심 원천 기술을 확보해 국제 경쟁력을 갖춰야 살아남을 수 있다"면서 "국내 최초로 저비용·고효율을 달성한 이번 연구가 국내 태양광 산업 성장에 이바지할 수 있을 것"이라고 전망했다.

연구진이 태양광 분야 기업인 신성이엔지와 함께 진행한 이번 연구는 에너지 분야 과학저널 '나노 에너지'(Nano Energy) 3월 19일 온라인판에 발표됐다.