탠덤 태양전지의 현재와 미래

탠덤 태양전지의 현재와 미래

대학생신재생에너지기자단 23기 김태현, 27기 이희원, 29기 박승준, 30기 김지아, 박시영

태양광 발전 확대와 고효율 태양전지의 필요성

최근 중동발 에너지 위기로 화석연료 의존적인 에너지 구조의 위험성이 드러나면서 재생에너지 중심의 에너지 대전환의 필요성과 시급성은 부각되고 있다. 현재 신재생에너지 발전량은 타 에너지원 대비 빠르게 증가하고 있으며, 특히 재생에너지 중 태양광을 중심으로 한 발전량 확대는 꾸준히 증가하고 있다. 국내에서도 무탄소 에너지 확대 기조에 따라 재생에너지의 발전 비중을 늘리고자 목표로 하고 있다. 정부는 2030년까지 재생에너지 설비를 100GW로 확대하겠다는 목표를 제시했는데, 그중 87GW는 태양광 비중으로 목표 달성에 큰 비율을 차지하고 있다.

태양광은 같은 전력을 얻는데 다른 전원보다 훨씬 넓은 면적이 요구된다. 그러나 국토의 70%가 산지인 한국에서 평지 확보는 쉽지 않아 한계를 보이기도 한다. 정부가 2018년 이후 산지의 태양광 평균 경사도 기준을 25º에서 15º로 변경하며 기준이 강화됨에 따라 산악 지대에 넓게 태양광 패널을 설치하여 짓는 방식은 한계를 마주하였다. 따라서 같은 면적에서 더 많은 전기를 만들어내는, 다시 말해 효율을 높이는 일이 더욱 중요해졌다.

효율 문제를 두고 산업통상자원부에서는 2024년 차세대 기술인 태양광 탠덤 셀의 조기 상용화와 ’2030년 효율 35% 달성’을 목표로 기술 개발 애로 해소와 공동 활용 시설 인프라 지원을 강화한다고 언급한 바 있다. 다만, 2026년 5월 기후에너지환경부 브리핑에서는 2030년 100GW 달성 목표는 현재 기술을 기반으로 우선하고 페로브스카이트와 탠덤 태양전지 기술은 조기 상용화 단계를 거치며 추가로 적용한다고 언급했다.

이에 따라 태양전지의 효율을 높여야 한다는 문제를 직면한 상황에서 실리콘 태양전지의 효율 향상은 왜 한계에 부딪혔으며 탠덤 구조는 이를 어떻게 해결하고자 하는지, 상용화까지 남은 문제와 함께 살펴보고자 한다.

기존 실리콘 태양전지의 구조와 효율

태양전지는 반도체의 pn 접합에 빛이 입사되면 기전력이 발생하는 효과인 광기전 효과를 이용해 태양 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치다. 이러한 변환을 위해 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 구조로 이루어져 있으며, 가장 대표적인 것으로 실리콘 태양전지가 있다.

태양전지가 빛을 받아 전기를 만들기 위해서는 밴드갭이라는 에너지 문턱을 넘어야 한다. 밴드갭이란 전자가 묶여 있는 공간에서 자유롭게 움직이며 전기를 통하게 하는 공간 사이의 에너지 격차를 말한다. 쉽게 말해 전자가 전기를 만들기 위해 이동에 필요한 빛 에너지라고 볼 수 있다.

[자료 1. 실리콘 태양전지 밴드갭 원리]

출처: ©29기 박승준 Gemini 생성

태양전지에 밴드갭 에너지보다 큰 에너지를 가진 빛이 들어오면, n형 반도체의 전자와 p형 반도체의 정공이 쌍을 형성한다. 이 전자와 정공이 서로 분리되어 전자의 흐름을 만들 때 비로소 기전력이 발생하며 전기가 생산된다.

그러나 기존 실리콘 태양전지는 태양 빛을 온전히 전기 에너지로 전환하지 못한다는 물리적인 한계가 있다. 태양광은 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 파장의 빛으로 구성되어 있지만 기존 실리콘 태양전지는 특정 파장대의 빛만을 효율적으로 흡수할 수 있기 때문이다. 밴드갭보다 지나치게 큰 에너지의 빛이 들어오면 전자를 이동시키고 남은 여분의 에너지는 전기가 아닌 열에너지로 전환된다. 그리고 밴드갭보다 에너지가 작은 빛은 태양전지를 그대로 통과해 버린다. 

이처럼 흡수할 수 있는 빛 에너지가 제한되어 있다 보니, 단일 접합 실리콘 태양전지가 이론적으로 변환할 수 있는 효율이 낮다. 원자가 규칙적으로 배열된 무기 반도체 기반으로 변환 효율이 정립된 쇼클리 퀘이서 한계에 따르면 이론적으로는 약 33%로 제한되고 평균 상용 효율은 20-22%이다. 이러한 이유로 현재는 효율 향상을 위해 단일 태양전지가 아닌 다른 소재의 접합 태양 전지가 주목받고 있다.

서로 다른 빛을 나눠 활용하는 페로브스카이트-실리콘 탠덤

앞서 살펴본 것처럼 실리콘 단일 접합 태양전지는 하나의 밴드갭만을 이용하기 때문에 태양광의 다양한 에너지를 모두 효율적으로 활용하는 데 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 넓은 밴드갭의 페로브스카이트를 상부 셀에, 좁은 밴드갭의 실리콘을 하부 셀에 배치하는 탠덤 구조가 활용된다.

페로브스카이트를 실리콘 상부에 배치하는 핵심적인 이유는 조성에 따라 밴드갭을 조절할 수 있고, 높은 광 흡수계수를 가져 빛을 효과적으로 흡수할 수 있기 때문이다. 또한 페로브스카이트는 낮은 Urbach 에너지를 갖는다. Urbach 에너지는 소재 내부의 구조적 무질서나 결함 정도를 나타내는 지표로, 값이 낮을수록 결함에 의한 에너지 손실이 적다는 것을 의미한다. 이러한 특성은 높은 개방전압(open-circuit voltage)을 확보하는 데 유리하다. 페로브스카이트의 이러한 특성들은 실리콘과 결합하는 탠덤 태양전지의 상부 셀 재료로 활용하기에 유리하다.

 [자료 2. 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 빛 흡수 원리]

출처: ©30기 박시영 Claude 생성

넓은 밴드갭의 페로브스카이트가 높은 에너지의 광자를 먼저 흡수하고, 이를 통과한 낮은 에너지의 광자는 밴드갭이 좁은 실리콘이 흡수한다. 반대로 밴드갭이 좁은 실리콘이 상부에서 고에너지 광자를 먼저 흡수하면, 광자의 에너지와 실리콘의 밴드갭 사이의 초과 에너지가 열로 소실되는 열화 손실(thermalization loss)이 커질 수 있다. 따라서 넓은 밴드갭의 페로브스카이트를 상부에 배치해 고에너지 광자를 먼저 흡수하고, 이를 통과한 상대적으로 낮은 에너지의 광자를 하부의 실리콘이 흡수하도록 구성하는 것이 에너지 손실을 줄이는 데 유리하다. 이처럼 두 소재가 서로 다른 에너지 영역의 태양광을 나누어 활용함으로써 단일 접합에서 발생하는 에너지 손실을 줄이고, 결과적으로 실리콘 단일 접합 태양전지보다 높은 전력변환효율(PCE)을 구현할 수 있다.

2T와 4T, 두 가지 탠덤 구조

이러한 탠덤 태양전지는 연결 방식에 따라 2T와 4T로 구분된다. 2T 구조는 페로브스카이트 상부 셀과 실리콘 하부 셀이 상호연결층(Interconnection Layer, ICL)을 통해 하나의 소자로 연결된 구조이다. ICL은 두 셀 사이의 전기적 저항을 줄여 전류가 원활하게 흐르도록 하는 동시에, 페로브스카이트를 통과한 빛이 실리콘 하부 셀까지 효과적으로 도달할 수 있도록 광학적으로 투명해야 한다. 구조가 단순해 제조공정의 복잡성을 줄일 수 있지만, 두 셀이 직렬로 연결되기 때문에 전류 정합(current matching)이 중요하다. 

즉, 페로브스카이트 상부 셀과 실리콘 하부 셀에서 생성되는 전류의 크기를 비슷하게 맞춰야 전체적인 전력 손실을 줄일 수 있다. 이 때문에 2T 구조에서는 페로브스카이트의 밴드갭을 조절해 실리콘 하부 셀과 적절한 전류 정합을 이루도록 설계한다. 실제 2T 구조에서 전류 정합을 위해 1.68~1.8 eV 범위의 넓은 밴드갭을 갖는 페로브스카이트가 활용된다.

반면 4T 구조는 두 서브 셀을 독립적으로 제작한 뒤 기계적으로 적층하는 방식이다. 각 셀을 독립적으로 최적화할 수 있어 2T와 달리 전류 정합의 제약이 적다는 장점이 있다. 하지만 여러 기판이 필요하고 구조와 제조공정이 복잡해져 비용이 증가할 수 있다는 한계가 있다.

[자료 3. 2T와 4T 탠덤 구조 비교]

출처: ©30기 박시영 Claude 생성

실제로 이 구조 덕분에 탠덤 태양전지의 전력변환효율도 꾸준히 향상되고 있다. 특히 제조공정이 간단한 2T 구조에서 최근 실리콘 단일 접합 태양전지의 효율을 넘어서는 성과가 이어지고 있다.

탠덤 태양전지 상용화의 걸림돌: 대면적화

사실 탠덤 태양전지는 오래전부터 나온 개념이다. 실제로 다중 접합 태양 전지는 1955년에도 연구됐다. 1958년에 나온 관련 논문이 있으며, 탠덤 태양 전지는 70년이 넘는 역사를 지니고 있다. 그러나 아직도 탠덤 태양전지가 완전한 상용화에는 이루지 못하고 있다. 바로 대면적으로 만들기 어렵기 때문이다.

[자료 4. 흡수하는 빛의 양을 늘리기 위한 태양전지 표면]

출처: ©23기 김태현 GhatGPT 생성

그렇다면 탠덤 태양전지는 왜 큰 면적으로 만들기 어려울까? 그 이유는 태양 전지의 구조적인 문제다. 태양전지는 빛의 흡수를 늘리기 위해 평평하지 않고 뾰족한 형태다. 평평할 때와 달리 반사된 빛이 태양 전지의 다른 부분과 만나 흡수를 유도해 효율을 높이기 위함이다. 또한, 페로브스카이트 태양 전지는 전기를 만들기 위해 특정한 기능을 하는 얇은 층이 겹겹이 쌓인 구조에 해당한다. 탠덤 태양 전지에서 아래층에 있는 실리콘 태양전지를 이러한 구조로 만든다면 페로브스카이트의 각 층을 균일하게 쌓기 크게 어려워진다. 이에  태양광판의 물리, 화학적 특성이 불균일해진다. 이에 따라 특정 부분에서 빛을 흡수하지 못하며 효율이 떨어질 수 있다.

페로브스카이트 층을 만들 때 쓰는 제조 공정이 하부 실리콘 태양전지를 손상하지 않아야 하는 조건도 생긴다. 이에 온도, 제조에 쓰이는 화학물질 등 여러 요소를 바꿔야 할 수도 있다. 이렇듯 아래 실리콘 태양 전지 위에 페로브스카이트를 쌓아야 해 생기는 제약은 탠덤 셀의 상용화에 걸림돌이 된다.

앞서 언급했듯이 2T 탠덤 태양전지에는 페로브스카이트와 실리콘 태양 전지 사이 전류가 원활히 흐르도록 하는 연결층이 존재한다. 이 연결층은 투명하고 전기 저항이 낮아야 하는 등 여러 조건이 필요해 복잡한 공정을 요구한다. 그러면서도 쓰이는 물질과 제조 공정이 페로브스카이트와 실리콘 태양전지에 영향을 끼치지 말아야 한다. 이 모든 조건을 큰 면적에 균일하게 적용하기는 어려워 이 역시 대면적 탠덤 셀의 상용화에 악영향을 끼친다.

핵심은 가격이다. 이 모든 것을 만족한다 하더라도 이를 위해 점점 더 비싼 공정을 투입해야 하기 때문이다. 성능과 대면적에서의 균일성을 확보하더라도 가격이 비싸 상용화의 속도는 더 늦어진다.

실제 기업의 태양광 효율

현재 가장 높은 탠덤 태양전지의 효율은 LONGi라는 중국 기업이다. 이 기업은 2023년 33.9%였던 효율을 2024년 34.6%로 올렸고, 올해 7월을 기준으로 35.5%의 효율을 기록했다. LONGi는 탠덤 태양전지의 이론적인 효율은 43%라 발표한 적이 있다. 현재 이 기업의 제품 중 산업적으로 쓸 수 있는 태양광 모듈에서의 최고 효율은 31.4%로, 셀 단위의 효율보다 가시적으로 낮다.

같은 중국 기업인 JinkoSolar는 지난해 셀 단위에서 당시 최고 효율인 34.76%를 달성했다. 이들은 페로브스카이트와 연결층 사이의 계면 특성, 전하 이동, 결함 방지 등 다양한 측면에서 효율을 높이기 위해 노력했다. 또 하나의 중국 기업인 Trinasolar는 대면적 셀에서의 효율을 내기 위해 노력했다. 올해 1월을 기준으로 산업용 태양광 셀의 효율은 32.6%로, 다른 기업보다 뒤처질 수 있지만 3.1제곱미터의 대면적 태양광 모듈에서 28%의 가시적인 효율을 낼 수 있다는 점에서 의의가 있었다. 이처럼 탠덤 태양광 전지의 선두에는 중국 기업이 많다.

국내 기업인 한화큐셀도 이에 밀리지 않는 활약을 보이고 있다. 2024년 12월을 기준으로 28.6%의 당시 세계 최고 기록을 세웠다. 이후 2025년에는 이 성능을 유지하면서 안정성을 확보하려는 움직임을 보였다. 2026 국제그린에너지엑스포에서는 해당 탠덤 셀을 2029년에 상용화하기로 공개 선언했다. 또한, 최근에는 NASA와 협업해 탠덤 태양 전지를 우주 태양광에 쓰려는 시도가 두드러지고 있다.

또 다른 국내 기업은 HD에너지솔루션도 이에 지지 않는다. 이들은 작년 10월에 효율 28.7%의 탠덤 셀을 개발했다. 겉으로는 유의미하지 않은 수치라 생각할 수 있지만, 기존 용액 기반 공정보다 대면적으로 만들기 더 쉬워 대면적 태양광 모듈 상용화의 선두 주자로 설 가능성이 있다. 올해는 효율 30% 이상의 탠덤 셀을 만들기 위한 여러 선행 연구를 진행하고 있다.

실리콘을 버리는 것이 아닌, 실리콘의 한계를 넘어서는 기술

페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 등장은 기존 실리콘 태양전지 기술의 역할이 줄어든다는 의미라기보다, 이미 성숙한 실리콘 태양전지 기술을 기반으로 효율을 한 단계 더 끌어올리는 새로운 발전 방향을 보여준다. 수십 년간 축적된 실리콘 태양전지의 제조 기술과 산업 인프라 위에 페로브스카이트 상부 셀을 결합함으로써, 기존 단일접합 실리콘 태양전지가 충분히 활용하지 못했던 태양광 영역까지 전기에너지로 전환할 수 있기 때문이다. 

효율 측면에서 탠덤 태양전지의 가능성은 이미 분명하게 나타나고 있다. 실리콘 단일접합 태양전지가 하나의 밴드갭으로 인해 갖는 근본적인 효율 한계를 서로 다른 밴드갭을 가진 두 소재의 조합으로 넘어설 수 있기 때문이다. 특히 제한된 설치 면적에서 더 많은 전력을 생산해야 하는 건물, 도심, 우주 태양광 등의 분야에서는 높은 효율이 더욱 큰 경쟁력이 될 수 있다.

그러나 높은 셀 효율이 곧바로 상용화를 의미하는 것은 아니다. 실제 태양광 산업에서는 작은 면적에서 얻은 최고 효율뿐 아니라 대면적 모듈에서도 성능을 균일하게 유지할 수 있는지, 장기간 빛과 열·습기에 노출되어도 안정적으로 작동하는지, 그리고 기존 실리콘 모듈과 경쟁할 수 있을 만큼 제조비용을 낮출 수 있는지가 중요하다. 앞서 살펴본 대면적 코팅의 균일성, 계면과 연결층의 제어, 공정 복잡성과 비용 문제는 앞으로 탠덤 태양전지가 해결해야 할 핵심 과제다.

따라서 가까운 미래의 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 별개의 새로운 기술이 아닌, 실리콘 태양전지의 성능과 활용 범위를 확장하는 차세대 기술로 보는 것이 더 적절하다. 이미 구축된 실리콘 태양광 산업을 기반으로 페로브스카이트의 높은 광흡수 특성과 밴드갭 조절 능력을 더해 단일 접합의 효율 한계를 넘어서는 방식이기 때문이다. 결국 차세대 태양전지 경쟁의 핵심은 어느 한 소재가 다른 소재를 밀어내는 데 있기보다, 검증된 실리콘 기술 위에 페로브스카이트를 얼마나 안정적이고 경제적으로 결합할 수 있는가에 있을 것이다. 페로브스카이트-실리콘 탠덤은 이러한 기술적 결합을 통해 기존 실리콘 태양전지의 한계를 넘어서는 차세대 고효율 태양전지로 자리 잡을 가능성이 크다.

태양광에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "건물 외벽이 발전소이자 전광판이 되다", 28기 정예빈, https://renewableenergyfollowers.org/etc/?idx=172381794&bmode=view

2. "태양전지의 진화: 실리콘에서 페로브스카이트까지", 28기 홍서연, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?idx=169447130&bmode=view

참고문헌 

[태양광 발전 확대와 고효율 태양전지의 필요성] 

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2) 기후에너지환경부, “2030년 100GW 보급 조기 달성을 위한 세부전략 발표”(심진수 재생에너지정책관 브리핑), 2026.05.20, https://www.korea.kr/briefing/policyBriefingView.do?newsId=156762632

3) 김지호, 송기일, 윤찬영, “산지 태양광 발전시설의 지형 공간 데이터베이스 구축 및 사면 특성 분석”, 한국지반공학회논문집, 40(4), 2024, pp 155-167, https://www.kgsjournal.org/media/sites/kgs/2024-040-04/N0990400414/N0990400414.pdf

4) 산업통상자원부, “재생에너지 질서있는 확대, 정부가 이끌고 나간다”, 2024.05.16, https://www.pcccr.go.kr/base/board/read?boardManagementNo=43&boardNo=3133

5) 산업통상자원부, “신재생에너지 발전비중 최초 10%돌파 - 2024년 에너지 수급동향 발표”, 2025.05.19, https://www.korea.kr/briefing/pressReleaseView.do?newsId=156688457
6) 최현웅, ”태양전지, 130% 효율 도달의비밀”, 2026.04.05, https://www.youthassembly.kr/news/935910

[기존 실리콘 태양전지의 구조와 효율] 

1) 김주원,”중국,페로브스카이트 양전지 효율 28.04%... 세계 신기록, 2026.08.04, https://www.g-enews.com/article/Global-Biz/2026/08/202608031633546670fbbec65dfb_1

2) 사이언스프리즘, ”태양광발전의 가능성과 한계”, 2017.10.25, https://www.segye.com/newsView/20171025004642?OutUrl=naver

3) 윤재현, ”태양전지 효율 예측, 65년 만에 새 기준 세우다”, 2026.08.04, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=370941

4) 한국고분자학회, 실리콘태양전지, 2006.08.15, https://www.polymer.or.kr/publish/publish_34.php?etc_1=17&etc_2=100&utm_source

5) 한국에너지공단신재생에너지센터, ”태양전지원리”, 2026.08.15, https://www.knrec.or.kr/biz/korea/intro/kor_solar.do

[서로 다른 빛을 나눠 활용하는 페로브스카이트-실리콘 탠덤]

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[탠덤 태양 전지 상용화의 걸림돌: 대면적화] 

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[실제 기업의 태양광 효율]

1) 신지아, “한화큐셀, 국제그린에너지엑스포 참가...차세대 태양전지 공개”, 아주경제, 2026.04.20, https://www.ajunews.com/view/20260420082159153 

2) 전은지, “한화큐셀, NASA 지원 프로젝트 참여…차세대 탠덤 태양전지 성능 검증”, HAND MAKER, 2026.06.09, https://www.handmk.com/news/articleView.html?idxno=40044  

3) HD현대에너지솔루션 뉴스룸, “HD현대에너지솔루션, 건식증착 탠덤 셀 세계 최고 효율 구현”, 2025.10.20, https://www.hd-hyundaies.co.kr/company/news.do%3BHDENS_KR_JSESSIONID%3D5EE37893BC076609FEAD1A6A13B57127?id=524F1D9E9707DD70E0630100007FF3A1

4) Jinkosolar, “JinkoSolar Breaks World Record Again with 34.76% Efficiency for Perovskite/TOPCon Tandem Cell”, 2025.11.27, https://www.jinkosolar.com/en/site/newsdetail/2789  

5) LONGi Events, “35.5%! LONGi Once Again Breaks World Record for Crystalline Silicon-Perovskite Tandem Solar Cell Efficiency”, LONGi, 2026.07.15, https://www.longi.com/en/news/crystalline-silicon-perovskite-tandem-solar-cell-new-world-efficiency-2026

6) Trinasolar, “Trinasolar sets new tandem cell efficiency and module power output record”, 2026.01.26, https://www.trinasolar.com/us/resources/newsroom/Trinasolar-Sets-Tandem-Cell-Efficiency-and-Module-Power-Output-Records/