<도입>
지금부터 20905 김지석의 발표를 시작하겠습니다. 공학계에서 지속가능한 미래 발전은 핵심적인 키워드 중 하나입니다. 그래서 저는 최근 과학 뉴스들을 찾아보다 발견한 햇빛으로 만든 전기로 물을 전기분해하여 수소를 만드는 인공 나뭇잎에서 ‘페로브스카이트 태양전지’를 사용한다고 한다는 기사를 보고, 이 태양전지가 무엇인지, 그리고 앞으로의 전망은 어떠한지 알아보고자 탐구 주제로 정하였습니다.
<서론>
1. 페로브스카이트(Perovskite)는 어떠한 물질이 아닌 결정 구조를 이르며, 이와 같은 결정 구조를 가진 티탄산칼슘(CaTiO3)을 러시아 우랄산맥에서 발견한 구스타프 로즈(Gustav Rose)가 러시아 광물학자 페로브스키(L. A. Perovski)의 이름을 따서 명명하였습니다.
가장 이상적인 페로브스카이트의 단위 세포(unit cell), 즉 물질 또는 원소를 이루는 기본적인 구조는 그림(a)와 같으며 AMX3의 구조를 가지는데, A는 보통 배위수가 12인 양이온이, M은 배위수가 6인 양이온이, X는 산소나 Cl, Br, I같은 음이온이 옵니다. 여기서 배위수(coordination number)란 간단히 말하자면 단위 세포가 빽빽하게 붙어있는 고체에서 한 원자를 둘러싸는 가장 가까운 원자의 수를 일컫는데, 그림 (a)에서 A로는 파악하기 어렵지만 M을 보면 X 원자가 그 주위에 팔면체 모양으로 6개 있는걸 볼 수 있습니다. 팔면체, 입방 팔면체의 개형은 각각 그림(b)와 그림(c)를 참고해 주세요. 여기서 화학1까지 이수한 저와 같은 사람들은 의문점이 한 가지 있었을 것입니다. 분명 단위 세포 그림에서 A원자는 8개, M원자는 1개, X원자는 6개인데 어떻게 AMX3라 할 수 있는 것일까요? 별 생각(가장 간단한 정수비, 그림을 의심, 저기서 더 쪼갤 수 있을까 등등)을 다한 끝에 결국 이해했습니다.
먼저 X의 경우 면에 위치하고 있으므로 2개의 단위 세포와 공유합니다. 그렇기 때문에 단위 세포당 원자수는 6개에서 2를 나누어 3개라 할 수 있는 것이죠. 같은 원리로 A는 꼭짓점에 위치하여 8개의 단위 세포와 공유하므로 8개를 8로 나누어 1개, M은 공유하는 단위 세포가 없으므로 그대로 1개인 것입니다.
2.이러한 구조의 페로브스카이트는 마법의 돌처럼 부도체, 반도체, 도체의 성질과 초전도 현상까지 보이며 빛에너지를 흡수하거나 발광할 수 있어 태양전지와 LED 모두 활용이 가능합니다. 또한 상당히 넓은 파장의 빛 흡수는 물론 양이온(M)과 음이온(X)의 조성 변화로 띠틈(밴드갭) 조절이 가능하여 흡수할 빛의 파장 조절이 가능하여 태양전지로 활용되기에 아주 적합한 특성을 갖추고 있습니다.
3. 이 태양전지의 원리에 대해 간단히만 설명하자면, 기본적인 원리는 기존 태양전지와 같고 광활성층만 페로브스카이트로 바뀐 것이라 봐도 무방합니다. 우선 광활성층(패로브스카이트 층)에서 광자를 흡수하여 광전효과에 의해 들뜬 전자가 튀어나와 정공(양공)을 만들어 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 이후 전자는 전자 수송층을 통해 음극 쪽으로 이동하고, 정공은 정공 수송층을 통해 양극 쪽으로 이동하는데, 이렇게 전자와 정공이 각각 음극과 양극으로 이동하게 되면 전위차가 발생하므로 전류가 흐르게 되는 것입니다. 페로브스카이트 태양전지는 이러한 얇은 층들을 한 층씩 코팅하는 식으로 제작하며, 이 층들이 균열이 생기지 않고 고르게 형성되게 하는 것이 효율과 장기적인 사용에 있어 핵심적인 기술인 것이죠. 갑작스럽게 박막이라는 용어가 등장할 수 있는데, 박막은 이 모든 층들을 통틀어 이르는 말입니다.
<본론>
1.새로운 기술이 계속 발전하여 상업화될지, 도태되어 논문으로만 남을지를 알아보는 데에는 기존 기술과의 차이를 분석하는 것이 가장 쉬운 방법일 것입니다. 따라서 현재 태양전지 시장의 약 90%를 차지하고 있는 결정질 기반 실리콘 태양전지와의 비교를 통해 페로브스카이트 태양전지에 대해 알아보려고 합니다.
-먼저 구조에서는 페로브스카이트 태양전지는 유-무기 하이브리드 구조를 사용하는데, 이 구조를 이용하면 무기물 재료만 사용했을 때보다 가볍고 유연하며 투명하게 제작할 수 있을 뿐 아니라 자유 전자가 거의 존재하지 않아 전하 수송 능력이 없다는 유기 태양전지의 단점을 해결할 수 있습니다. 즉 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 유연하여 활용도면에서 월등한 차이가 있다는 것이죠.
-제조 공정에서는 실리콘 태양전지는 1000˚C 이상의 고온과 복잡한 공정으로 생산 비용이 상당한 반면, 페보르스카이트는 100˚C에서 200˚C 사이의 저온 용액 공정과 비교적 간단한 공정으로 생산 비용이 저렴합니다.
-내구성 면에서는 실리콘 태양전지는 수십 년동안 보여준 결과를 토대로 안정성과 장기간 효율 저하가 적고 수분과 산소에 강하지만, 페로브스카이트 태양전지는 55% 습도에서 이상을 보이고 56˚C 이상에서 변이를 보이는 등 취약한 모습을 보이며, 아직까지는 납(Pb)이 사용되는 경우가 많아 환경 문제가 있습니다.
-일정성 면에서는 실리콘 태양전지는 입사각의 크기가 커질수록 반사되는 빛의 양이 많아져서 효율이 감소하기 때문에, 흐린 날씨나 산란광 조건에서 맑은 날 최대 용량 대비 10~25% 정도의 발전량만 생산 가능하지만, 페로브스카이트 태양전지는 높은 흡수 계수로 얇은 두께로도 빛을 효과적으로 흡수하며 산란광이나 흐린 날씨, 또는 실내에서 최대 용량 대비 40% 이상의 효율을 보여주어 기존 태양전지에 비해 뛰어남을 알 수 있습니다.실리콘 태양전지는 입사각의 영향을 많이 받기 때문에 이렇듯 입사각이 최소가 되도록 일정한 각도를 맞춰놓고 설치합니다.
-마지막 광전 변환 효율(PCE) 면에서는 미국 국립 재생 에너지 연구소(NREL)에서 공개한 자료로 설명하겠습니다.
다양한 태양전지들의 연도별 광전 변환 효율을 보여준 것인데, 오해할 내용들이 많아 한번 정리하겠습니다. 먼저 보라색은 단일 접합 태양전지를 여러 개 쌓아올린 다중 접합 태양전지(multijuncyion cells)로 여러 파장대의 태양광을 흡수하여 가장 높은 효율을 달성한 태양전지입니다.
보라색은 단일 접합 태양전지를 여러 개 쌓아올린 다중 접합 태양전지(multijuncyion cells)로 여러 파장대의 태양광을 흡수하여 가장 높은 효율을 달성한 태양전지입니다. 하지만 그만큼 높은 제조 비용과 복잡한 제조 공정 및 산란광에 취약하며 격자 정합 문제 등으로 인해 우주 산업에 적합한 태양전지이다. 즉 상용화는 어렵습니다.
파란색은 실리콘 태양전지로 현재 시장의 약 90% 점유하고 있는 태양전지입니다. 우리가 유심히 볼 만한 태양전지이죠.
황토색은 하이브리드 탠덤 태양전지로 고분자 소재 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 합쳐 각각의 단점을 개선한 태양전지입니다. 마찬가지로 공정이 복잡하고 III-V족 화합물 반도체(13족 15족 원소를 결합해 만든 화합물로, 기존 실리콘보다 우수한 성능을 가진 고성능 소자)를 사용하여 원가가 비쌉니다.
빨간색은 3세대 태양전지로 대부분 인쇄하듯 찍어낼 수 있는 간단한 공정과 다양한 응용성을 보여주는데, 페로브스카이트, 양자점, 유기 태양전지가 여기 속해 있습니다.
마지막 초록색은 박막 태양전지(CIGS)로, 높은 효율과 내구성이 장점이지만, 제조 공정이 복잡하고 유해 물질인 카드뮴이 사용되며 인듐, 갈륨 등 희귀 금속이 필요하다는 단점이 있어 상용화에 어렵습니다.
이제 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 기반 태양전지들의 효율을 비교해보면 페로브스카이트 태양전지가 27.0%, 실리콘 기반 태양전지가 27.8%로 실리콘 기반 태양전지가 0.8% 더 앞서있는 것을 알 수 있습니다. 그러나 페로브스카이트 태양전지는 급격하게 효율이 오르고 있다는 것을 생각하면 어느 순간 페로브스카이트 태양전지가 역전할지도 모르겠습니다.
이렇듯 페로브스카이트 태양전지는 다방면에서 기존 실리콘 기반 태양전지보다 뛰어난 모습을 보여주며 상용화라는 산 하나만 남겨둔 상태라는 걸 보여주고 있습니다. 하지만 습도, 온도에 취약한 점과 중금속 사용은 개선점으로 꼽히고 있어 마지막까지 사력을 다해 연구해야 함을 시사합니다.
2.앞서 페로브스카이트의 가장 큰 단점으로 습기와 온도, 그리고 중금속 사용을 뽑았는데, 이를 해결하기 위해 선구자 박남규 성균관대 화학공학과 교수와 석상일 UNIST 에너지화학공학과 교수 팀을 비롯한 많은 연구자들이 대안을 내놓고 있습니다. 그 중에서 핵심적인 대안 몇 개만을 다루어보겠습니다.
-첫 번째는 습기와 온도 문제 대안입니다. 개인적인 주관으로 가장 유망한 대안은 김동석 UNIST 탄소중립대학원 교수팀이 개발한 봉지 공정 기술이고, 이 방식은 전지에 보호 필름을 입힘으로써 기존 문제(습도, 온도)를 해결하는 방식인데, 필름을 씌우기 때문에 효율 저하가 클 것이라는 예상과 달리, 초기효율이 25.26%인 페로브스카이트 태양전지를85˚C, 85% 상대습도의 가혹 조건에서 1,000시간 작동 후에도 무려 초기효율의 85%이상을 유지하는 결과를 보여주었습니다. 이는 과거 50˚C, 50% 조건에서 1,000시간 이후 초기효율의 87%의 효율을 보여주었던 것을 생각하면 놀라운 성과입니다.
-두 번째는 중금속 사용입니다. 사실 이 부분은 과거 주석(Sn), 저마늄(Ge), 비스무트(Bi), 안타모니(Sb) 등 다양한 원소에 대한 연구가 진행되었던 것이 무상하게 주석(Sn)을 중심으로 연구가 진행되고 있습니다. 그 이유는 납 기반 페로브스카이트의 우수한 광학적, 전기적 특성이 최외각 6s 오비탈에 두 개의 전자를 가지는 납의 전자 구조라고 생각되기 때문에, 납과 같은 14족이며 5s 오비탈에서 2개의 최외각 전자를 가지는 주석이 가장 적합한 원소로 여겨지기 때문입니다. 그러나 주석은 납보다 훨씬 더 산화가 잘 되기 때문에 주석산화물이 생성될 때 필연적으로 발생하는 산소 공공과 표면결함 등으로 쉽게 균열이 생기는 단점이 있었습니다. 이에 대한 해결방안을 찾기 위한 연구로는 송창은 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 임상혁 고려대 교수·정재기 성균관대 교수·엘리야 아이 케냐 나이로비대 교수 연구팀과 함께 연구한 새로운 음극 중간층(PDINN) 도입과 첨가제 사용이 있는데, 첨가제가 주석의 산화를 방지하고 중간층이 주석이 있는 광활성층 즉CH3NH3SnI3, 메틸암묘늄 주석 삼아이오다이드 내부 아이오딘이 구리 전극층과 반응하여 구리화합물을 생성하는 걸 막아 장기간 성능을 유지할 수 있습니다.
3. 이제 우리가 주목해야 할 점은 페로브스카이트 태양전지의 활용성입다. 앞부분에서 페로브스카이트 태양전지가 유-무기 하이브리드 구조로 보다 유연하고 가벼우며, 산란광이나 실내에서도 상당히 높은 효율을 보여준다는 점을 언급하였는데, 이 점을 이용하면 기존에 급격한 효율 저하로 인해 시도하지 못했던 창문 등 건물 외벽이나 자동차 등 운송수단 등 태양전지를 다양한 곳에 활용할 수 있습니다. 현재 상용화가 진행되지 않은 관계로 실제 설치 사례는 존재하지 않지만, 상용화에 대한 기업들의 입장이 나오고 있기 때문에 이를 중심으로 알아보겠습니다.
먼저 현대자동차그룹은 지속 가능한 미래에 초점을 둔 기술들 즉 마이셀리움 가죽, 복사 냉각 필름, 로테이터캠 등을 다양하게 소개하고 있는데, 그 중 페로브스카이트 태양전지의 가능성을 높게 평가하며 하이브리드 기술에 이어 솔라루프 기술을 갖춘 차량 생산에 힘쓰고 있다고 언급하였습니다.
-한국전력(KEPCO)은 앞으로 도심 건물에 적용 가능한 차세대 건물일체형 태양광발전(BIPV) 기술을 끌어올려 글로벌 태양광 시장을 주도할 계획이라며 서울 한전아트센터에 페로브스카이트 태양전지를 시범 설치하여 전시하였습니다.
-일본 기업 파나소닉(Panasonic Holdings Corporation, Panasonic HD)은 후지사와 시 지속가능한 스마트 타운에 신축된 모델 하우스에 페로브스카이트 태양광 발전 유리를 설치하여 실증사업을 추진할 것이라 밝혔습니다. 기존 실리콘 기반 태양전지와 다르게 건물에 맞는 디자인과 투명성을 구현할 수 있으며, 낮에는 태양전지로써 전기에너지를 생산하고 밤에는 LED로써 빛을 내는 이상적인 창문을 구현할 수 있을 것이라 보기 때문입니다.
<결론>
페로브스카이트 태양전지는 저렴한 제조 비용과 3세대 태양전지들 중 가장 높은 효율을 보여주어 실리콘 기반 태양전지를 대체할 전지로 여겨지는 유망한 태양전지이만, 지금까지 알아보았듯이 습기, 온도, 중금속, 유리보다 낮은 투명도 등으로 인한 큰 문제점들이 존재하기도 했습니다. 그러나 전세계 연구진들이 누구보다 열심히 연구하여 단점을 극복할 많은 기술 및 연구 결과들을 지속적으로 내놓고 있기 때문에 저는 머지않아 페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘 기반 태양전지와의 경쟁에서 승리하고 새로운 태양전지로 등장할 것이라 생각합니다. 이번 2025 노벨상을 수상하지 못해서 아쉬움이 남지만 미래에는 더 완전한 기술로써 노벨상을 수상할거라 믿습니다 실제로 스웨덴 왕립과학원이 여는 노벨 심포지엄의 주제로 뽑혀 노벨상 후보로 여겨지기도 하였고요. 물론 이 태양전지가 단독적인 기술로만 존재할 것이라고 생각하지는 않습니다. 앞서 그래프를 분석할 EO 알 수 있었듯이 페로브스카이트 탠덤 태양전지라는, 기존 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 결합한 태양전지가 존재하는데, 이 태양전지는 두 태양전지의 문제점을 서로 해결해주어 광전 변환 효율이 기존 실리콘 태양전지보다 높아 현재 가장 빠른 상용화의 대안으로 여겨지고 있습니다. 가격 또한 그 두 태양전지의 중간 가격으로 대체하는 데에는 큰 무리가 없어 보입니다. 따라서 저는 어떤 형식으로든 페로브스카이트 태양전지가 우리 삶 속으로 들어올 날이 머지 않았다고 생각한다고 결론을 내리며 발표를 마치겠습니다. 지금까지 긴 발표를 들어주셔서 감사합니다.