태양광 발전 효율 50%가 머지않았다: 탠덤 태양전지

태양광 발전 효율 50%가 머지않았다: 탠덤 태양전지

대학생신재생에너지기자단 23기 김태현

 

[쉽게 올라가지 않는 태양전지의 효율]

태양광은 2050 탄소중립을 위한 핵심 요소로, 우리나라에서 신재생에너지 발전량 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 2050 탄소중립을 이루기 위해서는 신재생에너지 비중을 확대해야 하는데, 최근 태양전지의 효율 향상에 어려움을 겪고 있다. 유기 박막 태양전지, 양자점 태양전지 등 다양한 태양전지를 연구하며 효율을 높이기 위한 큰 노력을 하고 있지만, 다양한 제약 조건으로 인해 태양전지의 효율의 향상 속도는 매우 더딘 실상이다. 이러한 상황에서, 효율이 거의 50%에 달하는 태양전지가 등장했는데, 이것이 바로 탠덤 태양전지(다중 접합 태양전지)이다.

[자료 1. 한국의 에너지원별 발전 비중]

출처 : 한겨레

 

[50%와 가까운 효율을 자랑하는 태양전지, 탠덤 태양전지]

탠덤 태양전지는 서로 다른 두 개의 태양전지의 셀을 상하로 2개 이상 접합해 만든 태양전지를 의미한다. 태양전지의 종류마다 흡수할 수 있는 빛의 파장이 정해져 있으며, 태양전지 하나가 태양 빛의 넓은 범위의 파장 중 일부 파장밖에 흡수하지 못한다. 이런 단점을 보완하기 위해 흡수할 수 있는 파장이 다른 태양전지 2개를 접합하여 광범위한 파장의 빛을 흡수할 수 있도록 한 것이 탠덤 태양전지이다.

탠덤 태양전지는 현존하는 태양전지 중 효율이 가장 높다. 아래 자료는 지금까지 나온 모든 태양전지의 효율을 나타내는 자료인데, 지난 2022년 독일 프라운호퍼 ISE 연구팀은 효율이 47.6%인 역대 최고 효율의 태양전지를 개발했다. 이 효율은 햇빛이 143배 세기의 특수한 집광 조명에서 나타났다. 또한, 일반 조명에서 탠덤 태양전지의 최고 효율은 39.2%로 이 역시 현존하는 태양전지 중 최고 효율이며 다른 전지 중 집광 조건에서도 이보다 높은 효율을 갖는 태양전지는 존재하지 않는다.

[자료 2. 태양전지의 종류별 효율]

출처: 미국 재생에너지연구소(NREL)

 

[서로 다른 두 태양전지를 접합한 탠덤 태양전지]

가장 대표적인 탠덤 태양전지는 우리가 흔히 알고 있는 실리콘 기반 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 접합해 만든 탠덤 태양전지이다. 일반적으로 페로브스카이트층을 상부에, 실리콘층이 하부에 위치시키고 결합한다. 페로브스카이트는 아래 사진과 같은 결정 구조를 갖는 화합물을 의미한다. 면의 중심에 음이온이, 면의 가장자리와 결정 구조의 중심에 양이온이 위치한다. 이온 자리에 어떤 물질을 사용하는지에 따라 태양전지가 흡수할 수 있는 빛의 파장이 달라지는 것이다.

[자료 3. 페로브스카이트 구조]

 출처: 워싱턴 대학교 CLEAN ENERGY INSTITUTE

태양전지에서 페로브스카이트 구조의 양이온, 음이온에 다양한 물질을 사용할 수 있다. 이에 따라 흡수하는 빛의 파장이 달라진다. 즉, 가장 높은 세기에 해당하는 빛의 파장에 따라 원소를 선택하면 효율이 올라간다. 이처럼, 페로브스카이트는 흡수하는 빛의 파장을 선택할 수 있지만, 흡수 가능한 파장의 범위는 넓지 않다는 한계점이 존재한다. 하지만, 이는 페로브스카이트가 흡수하지 못한 빛을 기존 실리콘 기반 태양전지가 흡수함으로써 보완할 수 있다. 이러한 방식으로 흡수하는 파장이 다른 여러 종류의 셀을 접합하면 46.7%의 사상 최대 효율을 낼 수 있는 것이다.

[자료 4. 탠덤 태양전지의 구조]

출처: 파이낸셜뉴스

탠덤 태양전지는 회전이나 증착을 통한 코팅을 이용하여 만들어진다. 받침대 하나를 준비하고 이 위에 액체 상태의 태양전지 셀이나 박막 용액을 최하부 뚜껑 위에 코팅하여 탠덤 태양전지를 만들 수 있다. 코팅의 종류에는 회전과 증착을 이용한 코팅이 있다. 회전을 이용한 코팅은 최하부 판에 액체 상태의 용액을 떨어뜨린 후 회전시킨다. 시간이 지나면 용액이 확산하고, 하나의 층이 형성된다. 이 과정을 반복하면 여러 개의 층이 만들어진다. 증착을 이용한 코팅은 받침대를 최상부에 위치시키고 용액을 가열시킨 후 생성된 증기가 확산하면 최상부 받침대 아래에 얇은 판이 만들어진다. 마찬가지로 이 과정의 반복을 통해 탠덤 태양전지를 제작할 수 있다. 필요시 회전과 증착 두 가지 모두 사용하여 태양전지를 만들 수 있다.

이러한 과정은 태양전지의 낮은 가격에도 기인한다. 하나 또는 두 가지의 공정만을 통해 태양전지를 만들 수 있으므로, 공정에 사용하는 비용을 줄일 수 있다. 또한, 페로브스카이트와 실리콘층을 접합하는 데 얇은 판만 결합하면 된다. 따라서 이때 추가적으로 필요한 재료의 양이 매우 적어 비용 절감이 가능하다. 또한, 상부에 있는 페로브스카이트와 하부에 있는 실리콘층은 서로 기판 역할을 하기에 추가적인 기판이 필요 없어 생산 비용이 줄어든다. 이렇듯, 여러 이유로 탠덤 태양전지는 저렴하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.

탠덤 태양전지의 또 다른 장점은 내구성이 높다는 것이다. 앞선 태양전지 코팅 과정에서 각각의 셀을 보호하는 층은 금속으로 코팅하여 만들기 때문에 열이나 수분에 대한 태양전지의 내구성이 강해진다. 또한, 페로브스카이트 태양전지는 자외선을 흡수하지 못하며, 자외선을 받으면 손상을 입는다. 이러한 페로브스카이트층 위에 자외선을 가시광선으로 전환하는 박막을 코팅하여 자외선 투과량을 줄일 수 있다. 이는 페로브스카이트층과 실리콘층을 코팅하는 방법과 같은 방법으로 진행되므로, 추가 비용이 적다는 장점도 존재한다. 이처럼, 탠덤 태양전지는 기존 페로브스카이트 태양전지에 비해 뛰어난 내구성을 보유하고 있다.

 

[탠덤 태양전지의 상용화를 위한 걸림돌]

그렇지만, 이러한 탠덤 태양전지는 아직 상용화되기에는 여러 문제점이 존재한다. 첫 번째는 두 가지 셀 사이 호환성 문제이다. 상부 페로브스카이트 셀과 하부 실리콘 셀 사이의 열적, 기계적, 화학적, 전기적 특성이 달라 전지를 다루기 어렵다. 가장 두드러지는 문제점은 페로브스카이트 및 실리콘 셀 모두와 접합할 수 있는 소재를 찾기 어렵다는 것이다. 페로브스카이트 셀은 압축되었을 때 큰 극성을 띄지만, 규산염의 경우 작은 극성을 띄기에 인력을 이용하여 결합하기엔 적절하지 않다. 극성을 만들어내기 위해 규산염을 과도하게 변형시키면 깨질 수 있어 압축할 수도 없다. 따라서, 두 셀 모두와 붙어 있을 수 있는 재료를 찾는 데 어려움을 겪고 있다. 이 외에도 서로 다른 특성을 조정한 후 공정해야 하는 불편함이 존재한다.

탠덤 태양전지의 또 다른 단점은 여러 층 중 하나에 손상이 가면 태양전지의 기능이 중지될 수 있다는 것이다. 아래 그림처럼 빛은 태양전지의 각 층을 순차적으로 통과한다. 페로브스카이트 셀이 손상되어 빛이 투과할 수 없다면 아래 있는 실리콘 셀도 제 기능을 못하는 것이다. 견고한 코팅으로 인해 각 층을 분리하기도 어려워 손상되지 않은 층이나 셀을 재사용할 수 없다. 따라서, 일부만 손상이 가도 효율이 급격하게 떨어지거나 태양전지의 기능이 중지될 수 있는 것이다. 태양전지의 효율 자체는 높지만, 고장 시 경제적 손실이 큰 편이다.

[자료 5. 탠덤 태양전지의 빛 투과 메커니즘]

출처: pontoon-e

또 다른 탠덤 태양전지의 단점은 투명 필름에서 찾아볼 수 있다. 이전에 언급하였듯이, 투명 필름은 자외선으로부터 전지를 보호하기 위해 셀 위에 코팅되어 있다. 그러나, 자외선 차단 효과를 높이기 위해 이 필름의 두께를 두껍게 만들면 투과되는 빛의 양이 줄어들어 효율이 떨어진다. 또, 효율 증대를 위해 두께를 낮추면 전기 전도도가 감소하고 페로브스카이트 셀이 받는 자외선의 양이 증가해 전지에 손상을 입힐 수 있다. 즉, 효율과 전기 전도도, 내구성은 상충 관계에 있어 이들을 동시에 높이는 것은 불가능하다.

또한, 탠덤 태양전지는 유연성이 떨어지고 불안정하다는 단점이 있다. 전지의 페로브스카이트와 실리콘 셀은 모두 세라믹에 해당한다. 이들은 세라믹의 대표적인 특성인 취성을 지니고 있다. 취성이란, 버티지 못할 정도의 강한 힘을 받으면 거의 변형되지 않고 깨지는 물질의 성질을 의미한다. 페로브스카이트와 실리콘 셀은 이러한 특성 때문에 변형이 거의 일어나지 않으며, 따라서 유연성이 떨어지게 된다. 취성으로 인해 태양전지는 외부 에너지에도 변형되지 않고 부서지게 되는 물리적 불안정성을 보인다.

탠덤 태양전지는 화학적으로도 불안정하다. 탠덤 태양전지의 제조 과정 중 코팅은 장치 및 공정이 불완전하다. 회전 및 증착 과정에서 확산이 제대로 일어나지 않을 수 있고, 특정 부분의 농도가 다른 부분에 비해 상대적으로 낮아질 수 있다. 이로 인해 결함이 자주 발생하게 되고, 이 결함으로 인해 전지가 화학적으로 불안정한 상태가 되어 화재 및 고장이 발생할 수 있는 것이다.

 

[전지 교체 비용을 줄이는 새로운 탠덤 태양전지]

앞서 언급했듯, 기존 탠덤 태양전지는 일부가 손상되면 태양전지 자체를 교체해 주어야 한다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 새로운 탠덤 태양전지가 등장하고 있다. 복수의 셀을 직렬로 연결한 기존 탠덤 태양전지와 다르게 새로운 탠덤 태양전지는 셀을 병렬로 연결하였다. 이 태양전지는 하단 그림과 같이 그리드 형태를 가지며, 사진의 파란 부분에 두 종류 이상의 셀이 위치해 있다. 이 전지는 전지가 병렬로 연결되어 있어 빛이 하나의 셀만 투과하게 된다. 따라서 하나의 셀의 손상이 다른 셀의 기능 여부와 연관되어 있지 않다. 즉, 일부 셀이 손상됐다고 해서 전지 전체를 교체해야 하는 것은 아니며, 효율 하락의 폭도 작다는 장점이 있다.

[자료 6. 그리드형 탠덤 태양전지]

출처: 강연 ‘BIPV 페로브스카이트 태양전지’ (문수진 박사)에서 허가 후 발표 자료 촬영

그러나, 이 전지도 단점이 존재한다. 첫 번째 단점은 전체 면적 대비 발전할 수 있는 면적의 비중이 적다는 것이다. 태양전지에서 그리드의 선에 해당하는 뼈대를 이루고 있는 부분은 발전할 수 없다. 또한, 빛이 수직으로 들어오지 않는다면 이 뼈대가 셀을 가려 셀의 일부가 빛이 도달하지 못해 전력을 생산해내지 못한다. 이러한 단점은 태양전지의 발전 효율을 낮추어 상용화의 걸림돌이 된다.

 

[호환성 문제를 극복하다: 4단자형 탠덤 태양전지]

페로브스카이트 셀과 탠덤 셀의 특성이 달라 기존 탠덤 태양전지는 이를 조정한 후 공정을 실시해야 해 많은 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 나온 태양전지가 4단자형 태양전지이다. 기존 탠덤 태양전지는 각 셀에 전극이 하나씩 존재한다. 따라서, 이 둘이 함께 작동하게 되는 것이다. 반면, 4단자형 탠덤 태양전지는 각 셀에 전극이 두 개씩 존재하여 각 전극이 독립적으로 전기를 생산할 수 있는 것이다. 따라서, 둘 사이의 차이를 조정할 필요가 없다. 이 둘 사이를 조정하는 과정에서 많은 에너지 손실이 발생하는데, 이를 이유로 4단자형 탠덤 태양전지는 일반 탠덤 태양전지보다 다루기 쉬울 뿐 아니라 효율도 높다.

[자료 7. 4단자형 탠덤 태양전지]

출처: pontoon-e

앞서 기존 탠덤 태양전지의 두 셀 사이를 연결하는 것도 하나의 문제임을 언급하였다. 두 셀 모두 결합할 수 있는 소재가 많지 않기 때문이었다. 하지만, 4단자형 탠덤 태양전지에서는 두 셀이 독립적으로 작동해 두 셀을 연결할 필요가 없어졌다. 따라서, 이를 신경 쓰지 않고 전지를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

그러나, 4단자형 탠덤 태양전지는 기존 태양전지에 비해 가격이 높다. 그 이유는 투명 전극에서 찾을 수 있다. 투명 전극이 1개인 기존 탠덤 태양전지와 달리 4단자형 탠덤 태양전지는 투명 전극을 3개로 설정해야 한다. 전지가 손상되지 않도록 최하단부 전극을 제외하고는 모두 투명 전극을 코팅해야 하기 때문이다. 아무리 성능이 좋고 사용하기 편하다고 해도 가격이 비싸면 상용화에 상당한 어려움이 존재한다. 현재 4단자형 탠덤 태양전지는 높은 가격으로 인해 상용화되지 못하고 가격을 낮추기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.

 

[포기할 수 없는 태양광]

신재생에너지로의 전환이 시작됐을 때부터 태양광 발전은 가장 각광받는 분야였다. 뉴스나 인터넷에서 태양광 발전의 효율 향상의 한계가 존재한다는 내용을 쉽게 찾을 수 있지만, 실제로는 태양광 발전의 효율은 끊임없이 증가하여, 현재 50% 도달을 목전에 두고 있다. 우리나라의 신재생 에너지에서 태양광이 차지하고 있는 부분이 가장 많기 때문에 2050 탄소중립을 위해 태양광은 절대로 포기할 수 없는 분야이다.

현재 4개의 서로 다른 셀이 결합된 4중 접합 태양전지도 개발되었고, 상용화를 위한 연구도 진행 중이다. 태양전지를 손상시키지 않고 압축할 수 있는 기술이 개발된다면 5중 이상의 셀이 접합된 태양전지도 개발할 수 있을 것으로 생각한다. 하루빨리 활발한 연구가 이루어져 태양광 발전을 통해 여유로운 2050 탄소중립이 이루어지기를 바란다.

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태양광 발에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "점점 더 얇아지는 태양전지", 21기 마승준, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3886

점점 더 얇아지는 태양전지

2. "폴더블 열풍! 자가치유형 태양전", 22기 이지원, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3861

폴더블 열풍! 자가치유형 태양전지

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참고문헌

전체 참고

1) 문수진, " BIPV 페로브스카이트 태양전지 ", 부산대학교 에너지신산업단, 2022.07.22 

[쉽게 올라가지 않는 태양전지의 효율]

1) 강주리, “말 많은 태양광 확 낮추고 풍력 허가 깐깐해진다…“신재생 합리적·효율적으로””, 서울신문,  2022.11.03. https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20221103500217&wlog_tag3=naver

2) 이근영, “한국, 태양광 발전 7% 넘었다…한•일 5월 태양광 ‘최고치’ 기록, 한겨레, 2022.08.22 https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1055687.html

[50%와 가까운 효율을 자랑하는 태양전지, 탠덤 태양전지]

1) 김용태, “UNIST, ‘슈퍼 태양전지’ 수명•효율 동시에 높이는 필름 개발”, 연합뉴스, 2022.07.17, https://www.yna.co.kr/view/AKR20220717018700057

2) 문광주, “독일 프라운호퍼 ISE, 태양전지 효율 47.6% 신기록 달성”,  theSCIENCEplus, 2022.05.31 http://thescienceplus.com/news/newsview.php?ncode=1065593124840617

3) 유용하, “‘슈퍼 태양전지’를 ‘슈퍼 울트라 태양전지’로 만드는 기술 나왔다”,  서울신문, 2022.07.17 https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20220717500062

[탠덤 태양전지의 상용화를 위한 걸림돌]

1) 주병권, 최종현, 이하람, 고결, "유-무기 할라이드 페로브스카이트 활용 탠덤 태양전지", 월간 전자과학, 12월호, 1-8(8 pages), 2022

2) WILLIAM D. CALLISTER, JR, DAVID G.RETHWISCH, “Materials Science & Engineering(번역본)”, WILEY, 483-487(5 pages), 2021.1

[호환성 문제를 극복하다: 사단자형 탠덤 태양전지]

1) 장민규, 전영우, 김민제, 이준신, 박진주, 2-Terminal Perovskite/SHJ 탠덤 태양전지 기술 검토, Current Photovoltaic Research, 10권 3호, 84-88(5 pages), 2022

2) 홍시현, “탠덤 태양전지, 세계 최고 효율 기록”, 투데이에너지, 2022.04.27, http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=247661