그러나 실리콘 태양 전지가 주도하는 분야에서 상대적으로 새로운 기술인 페로브스카이트 태양 전지의 상용화가 성공하려면 높은 전력 변환 효율(PCE) 외에 안정성과 확장성이라는 두 가지 요건을 충족해야 한다.
KAUST(킹압둘라과학기술대학교) 연구진은 최근 사이언스(Science)에 발표한 논문에서 사상 처음으로 PV 습열 테스트에 성공하면서 중요한 이정표를 세웠다고 밝혔다.
습열 테스트는 태양열 패널이 높은 습도와 고온에 장시간 노출돼도 견딜 수 있는 능력을 판단하기 위한 엄격한 환경 노화 시험이다. 테스트는 85% 습도와 섭씨 85도의 통제된 환경에서 1000시간 동안 진행된다. 이는 수년간 야외에 노출되는 상황을 연출해 부식 및 박리 등의 요소들을 평가할 수 있다.
테스트의 엄격성은 결정질 실리콘(crystalline-silicon) 모듈의 25~30년 보증기간에 필요한 태양광(PV) 기술의 상용화 요건과 맥을 같이 한다. 테스트를 통과하려면 태양 전지가 초기 성능의 95%를 유지해야 한다.
스테파안 드 울프(Stefaan De Wolf)가 이끄는 KAUST 태양광연구소(Photovoltaics Laboratory)의 박사후과정 펠로우인 란디 아즈미(Randi Azmi)는 연구를 통해 캡슐화된 PCS에서 지속되는 약점을 극복해 패키지 유출을 막아야 했다. 이런 3D 페로브스카이트 필름의 취약성은 원치 않는 대기 중의 물질 침투를 허용하고 열에 대한 복원력을 제한한다. KAUST 연구진이 발견한 이 솔루션은 2D 페로브스카이트 부동화(passivation) 레이어의 도입을 이끌고 엔지니어링으로 전력 변환 효율과 PSC의 수명을 동시에 높인다.
페로브스카이트가 실리콘을 대체할 수 있는가?
페로브스카이트의 핵심은 박막 기술에 있다. 페로브스카이트는 기존의 태양 전지와 마찬가지로 특수한 형태의 물질로 만들어진 두 개의 접점이 필요하다. 하나는 전자(electron)를 모으고 다른 하나는 전자가 없음을 나타내는 양전하의 ‘홀(hole)’을 모으는 기능을 한다. 그러나 페로브스카이트는 실리콘 웨이퍼와 달리 전구체 용액을 사용해 유리 기판에 직접 코팅할 수 있다. 이 용액은 고체 상태의 결정체가 용매로 만들어진다.
실리콘 등의 전통적인 반도체에서 일반화된 고가의 설비와 1000도가 넘는 에너지 집약적 환경 없이도 전구물질로 만들 수 있다는 점이 큰 장점 중 하나다.
드 울프는 “이는 태양 전지를 만드는 아주 간단한 방법”이라며 “또한 광전자 특성은 고유한 것은 아니지만 매우 우수하고 이런 특성은 품질이 뛰어난 기존의 반도체와 동일해 정말 놀랄 만하다”고 말했다. 이어 “구성을 변경함으로써 자외선에서 적외선까지 전체 태양광 스펙트럼의 민감도를 조절할 수도 있다”며 “이는 특정 애플리케이션에 대단히 매력적”이라고 덧붙였다.
성능과 안정성 다음으로 남은 과제는 확장성이다. 대부분의 태양 전지 애플리케이션은 옥상 패널과 유틸리티급 산업 분야에 집중돼 있기 때문이다.
드 울프는 “지금의 시장은 앞으로 20년 동안은 실리콘이 대세를 이룰 것”이라며 “따라서 우리는 기존의 실리콘과 페로브스카이트를 결합한 보다 효율적인 탠덤(tandem) 솔루션을 발전시키기 위해 주로 페로브스카이트 태양 전지의 성능을 개선하는 데 초점을 맞추고 있다”고 말했다. 이어 “현재의 연구 결과는 이런 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양 전지의 신뢰성을 높이는 데 큰 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.
