기존의 실리콘 기반 태양전지와 비교했을 때 물리적, 화학적으로 어떤 장단점이 있는지 비교하여 알고 싶습니다.

Question

태양광 발전의 효율을 극대화하기 위해 나노 구조를 활용한 페로브스카이트 태양전지가 주목받고 있는데, 기존의 실리콘 기반 태양전지와 비교했을 때 물리적, 화학적으로 어떤 장단점이 있는지 비교하여 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

페로브스카이트 태양전지가 요즘 주목받는 이유는 실리콘이 가진 한계를 꽤 영리하게 비껴가기 때문이에요. 두 전지를 물리적, 화학적으로 나눠서 비교해드릴게요.

먼저 빛을 흡수하는 능력부터 보면 페로브스카이트가 한 수 위예요. 실리콘은 빛을 잘 흡수하려면 판이 어느 정도 두꺼워야 해요. 그래서 실리콘 전지는 보통 100마이크로미터 안팎의 두께가 필요하거든요. 반면 페로브스카이트는 같은 양의 빛을 빨아들이는 데 1마이크로미터도 안 되는 얇은 막이면 충분해요. 빛을 붙잡는 힘 자체가 워낙 강하다 보니 재료를 훨씬 적게 쓰고도 같은 일을 해내는 거예요. 그래서 얇고 가볍고 휘어지는 전지를 만들 수 있어서, 건물 외벽이나 곡면처럼 실리콘이 못 들어가던 자리에도 붙일 수 있어요.

만드는 방식에서도 차이가 커요. 실리콘 전지는 모래에서 뽑은 규소를 1400도가 넘는 고온에서 녹이고 정제해 결정으로 키운 뒤 얇게 썰어야 해요. 공정이 까다롭고 전기도 어마어마하게 들어가죠. 페로브스카이트는 용액 상태의 재료를 표면에 발라 굳히는 방식이라, 마치 잉크를 인쇄하듯 상온에 가까운 환경에서 만들 수 있어요. 공정이 단순하고 에너지도 훨씬 덜 들어서 생산 단가를 크게 낮출 잠재력이 있는 거예요.

효율 면에서도 페로브스카이트의 상승세가 매서워요. 개발된 지 십몇 년밖에 안 됐는데 벌써 실리콘 단일 전지의 효율을 거의 따라잡았어요. 특히 실리콘 위에 페로브스카이트를 얹어 빛의 서로 다른 영역을 나눠 흡수하게 만드는 적층형 구조는 효율이 30퍼센트를 넘어서면서, 한쪽이 못 잡는 빛을 다른 쪽이 잡아주는 시너지를 보여주고 있어요.

그런데 화학적인 안정성으로 가면 이야기가 정반대로 뒤집혀요. 여기가 페로브스카이트의 가장 큰 약점이에요. 실리콘은 화학적으로 워낙 안정적이라 한번 만들어두면 20년에서 30년을 거뜬히 버텨요. 비바람과 자외선에 수십 년 노출돼도 성능이 천천히 떨어질 뿐이죠. 반면 페로브스카이트는 수분과 산소, 열, 자외선에 약해요. 습기가 닿으면 결정 구조가 분해되기 시작하고, 햇볕에 오래 노출되거나 온도가 오르내리면 재료가 서서히 망가져요. 실험실에서는 30퍼센트에 가까운 효율을 내도 야외에서 몇 년을 견디느냐가 아직 풀어야 할 숙제로 남아 있는 거예요.

환경 문제도 짚어야 해요. 페로브스카이트 중에 성능이 가장 좋은 종류는 안에 납이 들어가요. 전지가 깨지거나 비에 씻기면 이 납이 빠져나와 토양을 오염시킬 수 있어서, 납을 다른 금속으로 대체하거나 새어 나오지 않게 가두는 연구가 한창이에요. 실리콘은 이런 독성 걱정이 없다는 게 장점이고요.

정리하면 페로브스카이트는 얇고 가볍고 싸게 만들 수 있으면서 빛도 잘 흡수하는 차세대 후보지만, 오래 버티지 못하고 납 문제가 걸려 있어요. 실리콘은 효율을 더 끌어올리기 어렵고 만드는 데 비용과 에너지가 많이 들지만, 수십 년을 버티는 검증된 내구성이 무기예요. 그래서 둘을 경쟁자로만 보기보다, 실리콘 위에 페로브스카이트를 얹어 서로의 약점을 메우는 적층형으로 가는 게 가장 현실적인 미래로 꼽힌답니다. 결국 안정성만 잡으면 판도가 크게 바뀔 분야예요 :)

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

페로브스카이트 태양전지느 빛을 흡수하는 능력이 좋기 때문에 얇게 만들어도 전기를 만들 수 있고, 유연한 기판에도 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.

기존의 실리콘 태양전지는 오래 검증된 기술이기 때문에 내구성이나 안정성 면에서 좋고 실제 발전소나 건물용으로 이미 널리 활용되고 있습니다. 다만 실리콘은 제조 과정이 비교적 까다롭고 딱딱한 판 형태가 많기 때문에 활용 형태가 제한이 있는 편이 많습니다.

그러나 페로브스카이트는 가볍고 제작 가능성이 다양하지만, 습기와 열, 산소에 약하기 때문에 성능이 오래 유지되는지가 큰 과제가 될 수 있습니다. 또 일부 소재에는 납 성분에 대한 문제도 있어서 이 점에 대한 문제도 함께 해결해야 하구요.

제 생각에는 페로브스카이트는 실리콘을 대체한다기보다는, 단점을 보완해 함께 활용하는 방향으로 발전하지 않을까 생각해봅니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

기존 실리콘 태양 전지는 내구성과 수명이 길고 안정성이 뛰어나지만 무겁고 제조 과정에 높은 온도와 비용이 필요합니다 반면 차세대 태양전지는 가볍고 유연하며 저온 고정으로 제작이 가능해 효율 향상과 비용 절감이 기대되지만 수분 열 자외선에 대한 화학적 안정성과 장기 내구성이 아직 실리콘보다 부족한 점이 단점입니다 그래서 현재 실리콘의 안정성과 차세대 소재의 고효율을 결합한 하이브리드 기술도 활발히 연구되고 있습니다

Answer 4

안녕하세요.

페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 효율이 우수한 소재입니다. 차세대 태양전지로 많이 연구되는 소재이죠. 실리콘보다 얇고 더 가볍게 만들 수 있기 때문에 건물 유리나 필름에도 붙일 수 있는 장점을 가졌습니다. 문제는 물이나 습기 그리고 열에는 약하기 때문에 오래 쓰면 성능이 떨어진다는 단점이 있습니다.

반면에 실리콘 태양전지는 효율은 조금 낮아도 20년 이상 사용할 만큼 내구성이 우수합니다. 그래서 현재에는 대부분 실리콘을 사용하고 있지만, 두 기술을 함께 쓰는 연구들도 진행되고 있다고 해요.

감사합니다.