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페로브스카이트 태양전지 소재 기술(4)-제1장 태양전지 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(10)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

페로브스카이트, 고효율·원가 절감 성패 좌우



■ 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

태양 전지는 전 세계 친환경 에너지 생산의 25%를 차지하고 있고 앞으로도 많은 활용도가 기대되는 분야이다. 국내 태양전지 시장 규모의 경우 2012년 2조4,000억원에서 2017년에는 7조4,000억원의 규모에 달할 전망이다.

현재 페로브스카이트 태양전지의 실용화는 아직 초기 단계로, 본격적인 양산화를 이룬 업체가 눈에 띄지 않는다. 만약 상용화가 늦어질 경우 기존의 실리콘 태양전지가 시장을 선점할 가능성이 있어 빠른 상용화를 추진해야 하는 상황이다.

페로브스카이트 태양전지 관련 특허출원은 2012년까지 5건에 불과하였지만 2013년에 15건, 2014년 36건으로 증가하였으며, 2015년에는 10월까지 45건이 출원되어 연구개발이 활발한 최근 3년간 출원 증가율이 연평균 120%에 달한다. 이 중 90%의 특허출원이 국내 연구진들에 의한 것으로, 페로브스카이트 태양전지에 대한 국내 기술개발이 활발히 이루어지고 있음을 알 수 있다. 국내 출원인별로는 전체 출원 중 대학 및 연구소가 79%, 기업이 19%를 출원하여, 대학 및 연구소가 기술 개발을 주도하고 있다. 이 중 연구소는 한국화학연구원이 16%, 대학은 성균관대학교가 13%, 기업으로는 LG전자가 13%의 출원 점유율을 보인다. 특허청 보도자료, ‘소재 돌파구 마련한 태양전지, 저가 페로브스카이트로 고가 실리콘을 대체한다!’, 2015
이러한 특허 출원 상황과 발전 양상을 보았을 때 페로브스카이트는 실용화 가능성이 충분하고 가까운 시일 내 시장에 선보일 수 있는 기술이라 여겨진다.

2) 기업 현황

페로브스카이트 태양전지는 아직 기초 소자 연구 단계로 현재까지 페로브스카이트 태양전지를 상품화하거나 파일럿 단계 테스트를 진행하는 기업은 없는 실정이다.

■ 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

온실가스 감축 및 태양광 발전의 경제성 향상으로 인해 세계 태양전지 시장 규모는 매년 호황세로 증가하고 있다. 2012년 약 10억달러에서 2017년에는 약 30억달러 규모에 달할 전망이다. 2040년 누적 태양광 설치량은 약 3,700GW로 예상되며, 이를 위해 연간 1,500억달러, 2040년까지 총 3.6조달러가 투자될 전망이다. 특히 중국이 환경오염과 관련하여 많은 관심을 가짐으로써 수요가 크게 증가할 것으로 보인다.

태양광 수요는 중국, 인도, 미국 및 유럽에서 집중될 것으로 보이고 미국과 유럽의 경우 분산형 태양광, 중국과 인도의 경우 대형 태양광의 설치가 주로 이루어질 것으로 보인다.

더욱이, 금융위기 이후 원재료인 폴리실리콘을 비롯한 태양광 발전 부품 및 소재 가격이 지속해서 하락하고 있다. 2015년 이후 태양광 발전 단가가 화석 연료와 같아지는 시점인 그리드 패리티(grid parity) 그리드 패리티(grid parity) : 화석연료 발전 단가와 신재생에너지 발전 단가가 같아지는 시기를 말한다. 각국 정부의 신재생에너지 육성 정책과 시루 발전에 따라 비용이 낮아지게 되면 언젠가는 등가(parity) 시점이 올 것이라는 전망이다.

에 도달하면서 전 세계적으로 태양광 발전 수요가 급격히 증가할 전망이다. 더불어, 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 성공적으로 이루어지면 스마트 창, BIPV(Building-Intergrated Photovoltaics), 야외 가구, 전력 공급 시설, 휴대용 기기, 우주 산업, 자동차 산업 등 현재 실리콘 태양전지가 적용된 모든 분야에 대체되어 더 높은 활용도가 기대된다.

2) 기업 현황

몇몇 기업에서 기업 및 대학 연구실을 상대로 페로브스카이트 합성 물질을 판매하지만, 현재까지는 페로브스카이트 태양전지 모듈을 판매하는 기업은 없다. 그마저도 소수의 기업이 공개적으로 모듈의 성능을 보여주는 정도이다.

Oxford Photovoltaics 사(社)는 옥스퍼드대학교에서 박막 태양전지의 상용화를 위해 설립한 회사로 페로브스카이트 태양전지의 권위자인 Henry Snaith가 공동 설립자이다. Oxford Photovoltaics는 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지의 탠덤 구조를 개발하였고, 개별 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%로 10cm2 셀 크기에서 효율 21.3%를 달성했다.

벨기에의 나노 소자 연구 전문 기업인 Imec도 크기 16cm2의 페로브스카이트 모듈을 유기 태양전지 제조 기술에 활용하여 실험실 규모의 스핀 코팅 공정으로 효율 11.9%를 달성했다.

폴란드의 Saule Technologies는 페로브스카이트 기술 상용화를 위해 설립된 기업으로 박막 및 유연 기판 페로브스카이트 태양전지에 초점을 맞춘 기업이다. Saule Technologies는 2016년 3월 스페인에서 열린 올해 초 ABXPV학회(International Conference on Perovskite Thin Film Photovoltaics)에서 스마트 폰에 적용하여 배터리를 충분히 충전할 수 있는 작고 유연한 페로브스카이트 모듈을 선보였다.


30% 이상 광전 변환 효율 목표 연구 요구

플렉서블·대면적 대량 생산 가능해야 성공



■ 국내외 선도기업

현재 페로브스카이트 태양전지의 실용화는 아직 초기 단계로, 국내 선도기업은 존재하지 않으며 <표 3-1-3-5>에 해외 선도기업을 정리하였다.

■ 미래의 연구방향

1) 고성능 기술 확보 및 낮은 원가 실현

고효율이면서도 원가를 줄이는 것이 페로브스카이트 태양전지의 궁극적인 목표이다. 따라서 현재보다 높은 효율을 위해서 실리콘 태양전지와 같은 고효율 무기 태양전지와의 텐덤 구조로 30% 이상의 광전 변환 효율을 목표로 하는 연구가 요구된다. 이러한 기술은 실용화를 한발 앞당기는 데 필요하므로 기술의 선점이 중요하다.

2) 상용화를 위한 TiO2 저온 공정 및 낮은 원가 실현

페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 기존에 상용화된 실리콘 태양전지와 비교했을 때 가격 경쟁력이 확보되어야 한다. 그러기 위해서는 플라스틱 기판으로 구부릴 수 있어야 하고, 대면적으로 대량 생산이 가능해야 한다. 현재 페로브스카이트 태양전지 제작 공정은 대면적, 대량생산이 불가능한 스핀코팅 공정으로 진행되는데 대면적, 대량생산 등 상용화에 대한 연구보다 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에 집중되어 있다. 대면적 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위한 대표적인 공정 기술은 스프레이 분사 방식과 스크린 프린팅 기술이다. 스크린 프린팅 방법을 적용하여 TiO2를 형성하는 기술은 염료 감응형 태양전지에서 사용되는 기술로 이미 스크린 프린팅 기술을 적용한 다공성 TiO2를 이용해 페로브스카이트 태양전지 제작이 이루어지고 있다.

앞으로는 이런 기술을 접목한 TiO2 저온 증착 기술을 통해 유연 기판을 사용하여 롤투롤(roll -to-roll) 코팅 방식으로 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 주요 기술로 발전시켜야 한다. 또한, 현재 페로브스카이트 태양전지에서 정공 수송층의 가격이 높아 원가에 큰 비중을 차지하므로 더욱 저렴한 물질을 활용하거나 정공 수송층을 제거하는 방법으로 고효율을 재현할 수 있는 연구가 요구된다.

3) 소자 안정성 향상

메틸암모늄요오드화납 페로브스카이트는 상대습도 55% 이상에서 메틸 암모늄요오드(CH3NH3I)와 요오드화납(PbI2)으로 분해된다. 따라서 수분과 접촉될 수 있는 상황에서는 소자의 캡슐화가 필요하다. 이처럼 메틸 암모늄요오드화 납 기반의 페로브스카이트 태양전지는 수분에 취약한 구조로 결정 안정성 연구가 필요하다. 나아가 습도뿐만 아니라 온도, 전자파, 자외선, 적외선 영역에서의 변화, 즉 실제 밖의 환경과 동일한 상황일 때 소자에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하다.

현재 페로브스카이트 태양전지에서 정공 수송층은 보다 나은 정공 이동도를 얻기 위해 소량의 첨가제를 넣는데 이러한 첨가제가 페로브스카이트 층을 부식시켜 소자의 안정성을 저하시키는 역할을 한다. 따라서 소자의 안정성 향상을 위해 부식성 첨가제가 필요 없고 전도도가 높은 정공 수송 물질 개발 또는 정공 수송층이 없는 구조의 소자 구현이 요구된다.

4) 납이 포함되지 않은 고효율 소자 구현

메틸암모늄 요오드화납 기반의 페로브스카이트 결정을 형성할 때 주로 메틸암모늄 요오드와 요오드화납을 사용하게 되는데 이때 사용하는 요오드화납이 문제점으로 지적된다. 또한, 이미 페로브스카이트 결정 구조를 이룬 상태라고 해도 물 등의 극성 용매와 접촉 시 분해되어 요오드화납이 발생하는 문제가 있다. 이때 요오드화납에 포함된 납은 인체의 신경계에 악영향을 주는 발암 물질로 각국에서 사용이 금지되어 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 납의 대체가 급선무인데 대표적 대체물로 제시되고 있는 주석은 산소에 취약하고, 납 제거는 산소나 수분에 대한 저항을 약화시키는 문제가 있어 어려움을 겪고 있다. 이러한 환경 문제, 건강 문제를 고려했을 때 납이 포함되지 않은 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구는 지속적으로 진행되어야 할 것이다.

■ 정책 제언

1) 선진 연구를 위한 정부의 전폭적인 지원

고효율의 페로브스카이트 태양전지의 경우 우리나라 연구진의 기술은 이미 세계적으로 인정받은 상황이다. 급격한 고효율의 달성은 단순히 단기간에 이루어진 것이 아닌, 기존의 다양한 차세대 태양전지 연구에서 축적된 노하우의 결과물로 볼 수 있다. 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 아직 상용화 전 단계에 머물러 있는 기술로 인류의 에너지 위기 극복을 위해 완성된 기술로 발전시켜야 하는 문턱 앞에 도달했다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 기간 놀라운 속도로 연구개발이 이루어졌고, 저온 용액 공정을 통한 고효율 실현의 가능성도 존재한다. 이러한 점을 고려하였을 때, 향후 대면적 공정 기술 개발, 소자 안정성 향상, 무연 태양전지 기술 개발 등에 정부가 투자할 필요가 있다. 이를 통해 화석 연료에 의존하고 있는 우리나라 에너지 의존도를 높여 국가 경쟁력을 높이는 기회로 만들 수 있다. 더욱이 페로브스카이트 태양전지와 관련한 특허도 국내 연구진들이 세계적 경쟁력을 확보한 상황이기에 관련 연구 기관에 대한 전폭적인 국가의 지원이 필요하다.

2) 실용화를 위한 기업의 적극적 참여

2000년대에 들어서면서 환경에 대한 전 지구적 관심이 급증하였고 온실가스 감축 의무가 나라별로 본격화될 것으로 전망됨에 따라 신재생 에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 신재생 에너지 시장은 초기에 풍력 발전이 주도하였지만, 2010년 이후 지역 및 규모에 상관없이 설치 가능하며 유지비용이 거의 들지 않는 태양광 산업이 새로운 성장 동력으로 부상하고 있다. 더욱이 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 더불어 낮은 재료비용과 제조 단가로 인해, 결정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 미래의 태양전지로 주목 받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 점유하고 있는 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 기술로 새로운 혁신을 불러올 것이다. 따라서 특허 출원 및 등록을 통한 원천 기술의 선점이 필요하다. 그러나 2015년에 출원된 특허 건수가 논문 발표 건수의 절반에 불과하였다. 이처럼 연구 결과가 특허 출원으로 이어지지 못하는 것은 시급히 개선해야 할 점이다. 향후 연구 결과 및 기술의 특허권 조기 확보 전략과 더불어, 기업과 연구실 간의 협력으로 페로브스카이트 태양전지 실용화에 한 층 더 다가가야 할 것이다. 이러한 협업을 위해서는 기업들의 페로브스카이트 태양전지 상용화에 대한 적극적인 관심과 참여가 요구된다.
<그림 3-1-3-26>국내 태양전지 시장 규모
<그림 3-1-3-27>해외 태양전지 시장 규모
<그림 3-1-3-28>각 나라별 누적 태양광 설치량
<그림 3-1-3-29>박막 및 유연 기판 페로브스카이트 태양전지 모듈
<표 3-1-3-5>페로브스카이트 태양전지 소재기술 - 해외 선도기업

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