■ 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.