태양전지의 진화: 실리콘에서 페로브스카이트까지

태양전지의 진화: 실리콘에서 페로브스카이트까지

대학생신재생에너지기자단 28기 홍서연

태양전지란 무엇인가

태양전지(Solar cell, Photovoltaic cell)는 태양의 빛에너지를 이용하여 전기를 만드는 장치다. 빛에 의해 전압과 전류가 생성되는 현상을 광전효과라 하며, 태양전지는 태양광을 이용해 광전효과를 구현한 에너지 변환 장치를 말한다. 태양전지는 빛이 반도체 내부에서 전자-정공 쌍을 생성하고, 이때 전기장이 전자를 한쪽으로 끌어 이동시키며 전류를 만들어내는 원리를 공통적으로 지닌다. 대규모 부지가 없고 건물이 많은 우리나라의 지형상 설치나 규모 면에서 장점이 크며, 기술 발전으로 비용 감소 및 효율이 점점 증가하고 있어 다른 신재생에너지 기술에 비해 특히나 주목받고 있다. 태양전지에는 실리콘(Si) 기반 태양전지 외에도 염료감응형 태양전지(DSSC), 최근 연구가 활발한 페로브스카이트 태양전지 등이 있다.

실리콘(Si) 기반 태양전지

[자료 1. 태양전지]

출처 : 한화큐셀

먼저 실리콘 기반 태양전지에 대해 알아보자. 실리콘 기반 태양전지는 가장 일반적이고 기본적인 태양전지로, 현재 태양전지 시장의 약 95% 이상을 차지한다. 일반적으로 실리콘 기반 태양전지는 전기적 성질이 다른 두 반도체의 접합으로 이루어지며, 아래층은 p형 실리콘, 위쪽의 얇은 층은 인(Phosphorous) 도핑을 통해 만들어진 n형 실리콘으로 구성된 p-n 접합 구조를 지닌다. 태양광이 반도체에 흡수되면 전자가 들뜬 상태로 전이되며 전자와 정공이 생성되고, p-n 접합에서 형성된 내부 전기장이 이들을 분리함으로써 전류가 외부 회로를 통해 흐를 수 있게 된다. 이렇게 생성된 전류는 실리콘 표면에 형성된 금속 전극을 통해 외부 회로로 전달되며, 가정이나 산업 현장에서 실제 전력으로 활용된다. 이 과정은 태양빛이 존재하는 동안 지속적으로 반복되며 별도의 연료나 배출물 없이도 전기를 생산할 수 있다. 또한 구조가 비교적 단순하고 안정성이 높아 대규모 발전 설비부터 건물 옥상, 주택용 설비에 이르기까지 폭넓게 활용되고 있다.

그러나 실리콘 기반 태양전지는 손실 요인이 많아 효율 향상 면에서 한계를 지닌다. 우선 태양전지 표면에서는 빛의 반사로 인한 광학적 손실이 발생하며, 에미터(Emitter, n형 실리콘)와 기판, 표면 및 금속 접촉 부근에서는 전자와 정공이 전부 분리되지 않고 다시 재결합하며 실제 외부 회로로 전달되는 전류의 양이 감소하게 된다. 또한 전류를 외부로 보내는 금속 전극과 실리콘이 접촉하는 과정에서 전극을 얇게 만들면 빛은 잘 들어오지만 전극 내부 저항이 커져 발전 효율이 떨어지기 마련이고, 전극을 두껍게 만들면 저항은 줄어들지만 차폐 효과(Shielding, 빛을 가리는 효과)가 커져 효율 저하를 유발할 수 있다. 이런 손실들을 줄이기 위해 표면 텍스처링, 반사방지막 코팅, 표면 패시베이션(표면의 결함을 메워 전자와 정공이 다시 결합하지 못하게 막는 기술) 등의 기술이 적용되지만 완전한 효율 개선에는 한계가 있으며 공정 복잡성과 비용 증가가 우려되고 있다.

염료감응형 태양전지(DSSC)

[자료 2. 염료감응형 태양전지 활용 BIPV]

출처 : SG에너지

실리콘 기반 태양전지의 구조·공정적 한계를 극복하기 위해 대두된 기술 중 하나는 바로 염료감응형 태양전지(DSSC, Dye Sensitized Solar Cell)다. DSSC는 금속산화물인 TiO₂ 표면에 염료를 흡착시키고, 염료가 태양빛을 흡수해 전자를 방출하는 광전기 화학적 반응을 통해 전류를 생성한다. 두 장의 투명 전도성 전극 사이는 다공성 TiO₂, 염료, 전해질, 백금 상대전극으로 구성된다. 현재 시장을 주도하고 있는 실리콘 기반 태양전지를 1세대로 두면 DSSC는 현재 3세대 태양전지로 분류되어 연구되고 있으며, 투명성과 유연성이 뛰어나 건물 일체형 태양전지인 BIPV로써 활용 가능성이 크다. 또한 DSSC는 저온 공정 기반으로 실리콘 기반 태양전지에 비해 단가도 낮아 잠재적 가격경쟁력, 광투과성, 활용도 면에서 우세하다는 장점이 있다.

[자료 3. 염료감응형 태양전지와 실리콘 태양전지 비교]

출처 : 3세대 태양전지 DSSC

그러나 DSSC는 현재 실리콘 기반 태양전지와 비슷한 수준일 정도로 효율이 좋지 못하고, 산업적으로 양산화 되기보다 R&D 또는 파일럿 수준에서 소량만 생산되는 등 본격적으로 상용화되지 않아 장기 안정성이 부족하다는 단점이 있다. 2세대 태양전지인 CIGS, CdTe 등 박막형 태양전지에 비해 개발 초기 단계에 있는 만큼 기술적 장점을 부각하여 더욱 개발이 필요한 상황이다.

페로브스카이트(Perovskite) 태양전지

DSSC는 가격경쟁력과 유연성 등이 장점이지만, 실제 상용화를 위해 더 높은 효율과 안정성이 요구되었다. 이를 구조적으로 극복하기 위한 대안으로 페로브스카이트 태양전지가 등장했다.

[자료 4. ABX₃ 구조]

출처 : 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 태양전지는 금속 할라이드 물질인 페로브스카이트(Perovskite)를 광흡수층으로 사용하며, 빛을 흡수해 생성된 전자와 정공이 내부 전기장에 의해 분리·수송되며 전류를 발생시키는 태양전지다. 여기서 페로브스카이트는 ABX₃ 구조를 지니는 물질 전체를 의미하며, 공통적으로 박막·저온공정이 가능하고 광전 변환 효율이 좋아 전자나 광소자 분야에서 많이 사용된다. 페로브스카이트 태양전지는 빛 흡수와 전하 수송 기능을 동시에 수행하는 단일 광활성층으로 작동한다는 점이 가장 큰 특징이다. 일반적인 실리콘 태양전지가 p-n 접합을 통해 전하 분리를 유도하고, 염료감응형 태양전지가 염료·전해질·산화물 반도체로 기능을 분리하는 구조를 취하는 것과 달리, 페로브스카이트 태양전지는 비교적 단순한 박막 구조에서도 효율적인 전하 생성과 이동이 가능하다. 특히 전자와 정공이 모두 페로브스카이트 층 내부를 통해 이동하는 양극성 수송 특성을 지니기 때문에 두꺼운 반도체 기판이나 복잡한 다공성 구조 없이도 전류 손실을 줄이며 효율을 높일 수 있다. 그러나 습기와 열, 빛에 대한 안정성이 낮고, 고효율 페로브스카이트는 납 기반 금속 할라이드 구조(ABX₃)를 사용하기 때문에 대표적인 독성 중금속인 납(Pb) 기반 소재에 따른 환경·안전성 문제가 상용화의 주요 걸림돌로 지적되고 있는 실정이다.

미래의 태양전지 기술

국토 면적이 제한적이고 도심 공간 활용이 중요한 우리나라에서는 보급 확대보다 설치 효율과 공간 활용도를 동시에 높일 수 있는 태양전지 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지가 기존 인프라와의 호환성을 유지하면서도 효율 한계를 넘어설 수 있는 현실적인 대안으로 주목받고 있는 만큼, 앞으로의 태양전지 연구는 장기 신뢰성과 환경 안전성을 함께 확보하는 방향으로 전환될 필요가 있다고 본다. 추후 태양전지 관련 실증 중심의 정책적·사회적 지원이 더욱 활성화되어 차세대 태양전지가 도시 곳곳에 스며듦으로써 우리 사회가 진정한 탄소중립 사회로 거듭나길 기대해 본다.

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1. "[세계 수소 여행] 중국: 세계 1위 수소 생산국", 25기 이예영, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=169051409&t=board

2. "하얀 연기의 정체: 원자력발전소 냉각탑의 공학적 원리와 환경적 역할", 27기 정환교, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?q=YToxOntzOjEyOiJrZXl3b3JkX3R5cGUiO3M6MzoiYWxsIjt9&bmode=view&idx=169445876&t=board

참고문헌 

[실리콘(Si) 기반 태양전지]

1) 조은철 외, 실리콘 태양전지의 금속전극 특성, [논문] 태양에너지 Solar Energy Vol.17, No.1, 1997, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO199721961301250&oCn=JAKO199721961301250&dbt=JAKO&journal=290592&keyword=%EC%8B%A4%EB%A6%AC%EC%BD%98%20%ED%83%9C%EC%96%91%EC%A0%84%EC%A7%80%EB%9E%80

2) 한화큐셀 공식 홈페이지, https://qcells.com/kr/

[염료감응형 태양전지(DSSC)] 

1) 박창걸, 미래 시장의 유망 선두주자, 3세대 태양전지 DSSC, KISTI MARKET REPORT Vol.4 Issue 7, 2014, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=KMR2014000217&dbt=KMR&rn=

2) SG에너지 공식 홈페이지, https://sgenergy1.com/board/list?bd_id=product01

[페로브스카이트(Perovskite) 태양전지]

1) 이진욱 외, 페로브스카이트 태양전지, 진공이야기=Vacuum magazine, v.1 no.4, 2014년, pp.10-13, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO201405458145240&oCn=JAKO201405458145240&dbt=JAKO&journal=564363&keyword=%ED%8E%98%EB%A1%9C%EB%B8%8C%EC%8A%A4%EC%B9%B4%EC%9D%B4%ED%8A%B8%20%ED%83%9C%EC%96%91%EC%A0%84%EC%A7%80