These materials were meant to revolutionize the solar industry. Why hasn’t it happened?

기대했던 태양광 산업 혁신까지 갈 길 먼 이 물질

실리콘보다 더 싸고, 가볍고, 효율적인 태양 흡수 물질인 페로브스카이트를 주원료로 하는 태양전지가 등장하기까지는 더 많은 시간이 필요할지 모른다.

태양광 패널의 주원료는 실리콘이다. 실리콘은 오늘날 시장에서 유통되는 태양광 패널의 약 95%에 사용된다. 하지만 이 실리콘 태양전지는 태양의 빛 에너지를 이용해서 전기를 만들어낼 수 있는 양이 제한적이고, 여전히 상대적으로 제조 비용이 높다.

‘페로브스카이트(perovskite)’라고 불리는 화합물은 더 싸고, 가볍고, 효율적인 태양 흡수 물질로 오랫동안 실리콘 태양전지의 대체재로 주목을 받아왔다. 그러나 이러한 기대감에 편승해 이 기술을 상용화하려는 수많은 스타트업들이 등장했음에도 불구하고 일부 전문가들은 페로브스카이트 기반 태양전지가 상업적으로 큰 영향을 미치려면 앞으로 10년 가까운 시간이 더 필요할 수 있다고 전망하고 있다.

페로브스카이트 전지에 대한 최근 연구를 보면 효율성 같은 핵심 지표에선 진전이 있었으나 현실적으로 여전히 실제 세계의 여러 조건을 견뎌내기 힘든 것으로 나타났다.

호주 뉴사우스웨일스 대학의 마틴 그린(Martin Green) 태양 물질 연구원은 “페로브스카이트를 지지하는 사람들은 그것이 조만간 상용화될 것 같은 잘못된 인상을 심어주고 있다”고 말했다.

페로브스카이트는 햇빛을 효율적으로 흡수해 표면을 코팅하는 데 비교적 쉽게 쓸 수 있는 합성 물질 계열로, 태양 에너지를 활용해 전기로 전환할 수 있는 저렴한 태양전지를 만드는 데 사용 가능하다.

연구원들이 태양전지를 평가할 때 사용하는 주요 측정 기준 면에서 실리콘이 앞서고 있지만 페로브스카이트가 빠르게 따라잡는 형국이다. 특히 효율성에 면에서 그렇다. 효율성이란 전지 하나가 전기로 변환할 수 있는 태양 에너지 양을 말한다. 실리콘과 페로브스카이트 모두 최근 25% 이상의 기록을 세웠다.

페로브스카이트에 관한 연구가 빠르게 진행됨에 따라 이것을 이용할 수 있기를 기대하는 연구원들도 대거 연구에 착수하고 있다. 새로운 성과를 기대하게 해주는 과학 논문도 여러 편 나왔고, 투자도 뒤따르고 있다. 예를 들어, 미국 에너지부는 페로브스카이트 개발 기업들을 상대로 스타트업 상을 수여한다.

마이크로퀀타 세미컨덕터(Microquanta Semiconductor), 옥스퍼드 PV(Oxford PV), 소울테크놀로지(Saule Technologies) 등 몇몇 스타트업은 수백만 달러의 투자금을 조성하고 심지어 시범 프로젝트를 설치했다.

하지만 이런 고무적인 분위기에도 불구하고 조만간 페로브스카이트를 사용한 옥상 태양광 설비를 할 수 없게 만드는 몇 가지 중요한 문제가 해결되지 않았다. 무엇보다 심각한 문제는 취약한 내구성이다.

그렇다. 예전보다 튼튼해진 건 사실이다. 페로브스카이트는 연구원들이 새로 만든 샘플을 실험실을 가로질러 운반하는 동안에도 산산조각이 나곤 했다.

하지만 안정성은 여전히 어려운 해결 과제다.

4월 과학 전문지인 <사이언스>에 발표된 한 최근 연구에서 연구원들은 효율성과 수명을 향상시키는 첨가제를 섞어넣어 페로브스카이트 태양전지를 만드는 새로운 방법을 찾아냈다. 이렇게 만들어진 전지는 실험실에선 1,500시간 동안 높은 열과 습기를 견뎌냈다.

문제는 현실세계에서도 이와 똑같은 긍정적인 결과를 얻을 수 있느냐다. 연구진이 실제 조건을 시뮬레이션하기 어렵고, 실리콘이 이미 기준치를 높여놓은 상태다. 많은 제조업체들은 그들이 만든 실리콘 패널이 30년이나 심지어 40년 동안 성능의 80%를 유지할 수 있다고 장담한다.

최근 실시한 현장 실험에서 연구진은 페로브스카이트 전지는 몇 달 지나도 초기 수준의 90% 이상의 성능을 유지한다는 사실을 발견했다. 하지만 이 기간 동안 전지 성능의 10% 가까이를 잃는다는 건 기대만큼 좋은 결과는 아니다.

또 다른 문제는 이 실험들이 모두 소형 전지를 갖고서 진행됐다는 것이다. 페로브스카이트 크기를 확대해서 한데 묶어서 실물 크기의 태양전지판을 이루는 대형 전지를 만들 경우 효율성과 수명에 문제가 생기곤 한다.

그린은 이러한 문제를 해결하지 못한다면 페로브스카이트가 태양전지 시장을 장악하는 날이 일부 연구자들이 생각하는 것처럼 가까워졌거나 확실해지지 않았다고 생각한다.

레티안 더우(Letian Dou) 퍼듀 대학 페로브스카이트 연구원은 페로브스카이트를 비바람으로부터 보호해주는 안정제와 물질들을 첨가하는 등의 방법으로 미세 조정하면 결과적으로 페로브스카이트 태양전지가 일상적인 작동 조건에서 20년 동안 지속될 수 있을 것으로 예측했다. 그는 다만 페로브스카이트가 의미 있는 상업적 발전을 이루려면 10년 이상의 시간이 걸릴 것으로 내다봤다.

이러한 여러 가지 어려움에도 불구하고 다양한 종류의 태양전지의 필요성이 커지고 있는 게 사실이다. 특히 지금 태양전지 물질에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있어서 더욱 그렇다고 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(Bloomberg New Energy Finance)의 제니 체이스(Jenny Chase) 태양 분석 책임자가 말했다.

그리고 페로브스카이트가 꼭 실리콘과 직접 경쟁할 필요는 없다. 페로브스카이트 층이 실리콘 전지 위에 쌓이는 탠덤 전지(tandem cell)에서도 사용할 수 있기 때문이다. 두 물질이 서로 다른 파장의 빛을 포착하기 때문에 상호 보완이 가능하다.

다만 페로브스카이트 태양전지를 훨씬 더 안정적으로 만들 수 있는 사람이 없다면 이런 어떤 일도 일어날 가능성이 낮다. 하지만 연구원들은 분명 그러한 기대를 버리지 않고 있다. 그린의 말처럼 “누군가가 정말로 성공시킬 가능성은 여전히 있다.”

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