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기대했던 태양광 산업 혁신까지 갈 길 먼 이 물질 – MIT Technology Review
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[Tech Investor] 돈 되는 태양광…‘페로브스카이트’로 예측한 미래
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![[Tech Investor] 돈 되는 태양광...‘페로브스카이트’로 예측한 미래](https://www.yeongnam.com/mnt/file/202103/20210316001327162_1.jpg)
페로브스카이트 태양전지 < 핫키워드 < 뉴스 < 기사본문 - 에코타임스
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각광받는 태양전지 신소재‘페로브스카이트(Perovskite)’ – Q-STORY
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- Summary of article content: Articles about 각광받는 태양전지 신소재‘페로브스카이트(Perovskite)’ – Q-STORY 테슬라가 일으킨 전기차 돌풍에 애플도 가세할 정도로 전기차에 대한 관심이 뜨겁다. 블룸버그의 전망에 따르면 세계 전기차 시장이 현재 수백만 대 정도 규모에서 2040년 … …
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[공지] ‘유니테스트’의 페로브스카이트 태양전지셀, 페로브스카이트 상용화의 첫 단계인 내구성을 확보하다!(최신 특허 소개) : 특허법인 오킴스
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![[공지] '유니테스트'의 페로브스카이트 태양전지셀, 페로브스카이트 상용화의 첫 단계인 내구성을 확보하다!(최신 특허 소개) : 특허법인 오킴스](https://cdn.imweb.me/thumbnail/20210804/b4f635cb5fb8f.png)
페 로브 스카이 트 태양 전지 시장
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페 로브 스카이 트 태양 전지 시장
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성능좋고 값싼 차세대 태양전지 ‘페로브스카이트’… 한화·美·英, 상용화 경쟁 – 조선비즈
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기대했던 태양광 산업 혁신까지 갈 길 먼 이 물질
실리콘보다 더 싸고, 가볍고, 효율적인 태양 흡수 물질인 페로브스카이트를 주원료로 하는 태양전지가 등장하기까지는 더 많은 시간이 필요할지 모른다.
태양광 패널의 주원료는 실리콘이다. 실리콘은 오늘날 시장에서 유통되는 태양광 패널의 약 95%에 사용된다. 하지만 이 실리콘 태양전지는 태양의 빛 에너지를 이용해서 전기를 만들어낼 수 있는 양이 제한적이고, 여전히 상대적으로 제조 비용이 높다.
‘페로브스카이트(perovskite)’라고 불리는 화합물은 더 싸고, 가볍고, 효율적인 태양 흡수 물질로 오랫동안 실리콘 태양전지의 대체재로 주목을 받아왔다. 그러나 이러한 기대감에 편승해 이 기술을 상용화하려는 수많은 스타트업들이 등장했음에도 불구하고 일부 전문가들은 페로브스카이트 기반 태양전지가 상업적으로 큰 영향을 미치려면 앞으로 10년 가까운 시간이 더 필요할 수 있다고 전망하고 있다.
페로브스카이트 전지에 대한 최근 연구를 보면 효율성 같은 핵심 지표에선 진전이 있었으나 현실적으로 여전히 실제 세계의 여러 조건을 견뎌내기 힘든 것으로 나타났다.
호주 뉴사우스웨일스 대학의 마틴 그린(Martin Green) 태양 물질 연구원은 “페로브스카이트를 지지하는 사람들은 그것이 조만간 상용화될 것 같은 잘못된 인상을 심어주고 있다”고 말했다.
페로브스카이트는 햇빛을 효율적으로 흡수해 표면을 코팅하는 데 비교적 쉽게 쓸 수 있는 합성 물질 계열로, 태양 에너지를 활용해 전기로 전환할 수 있는 저렴한 태양전지를 만드는 데 사용 가능하다.
연구원들이 태양전지를 평가할 때 사용하는 주요 측정 기준 면에서 실리콘이 앞서고 있지만 페로브스카이트가 빠르게 따라잡는 형국이다. 특히 효율성에 면에서 그렇다. 효율성이란 전지 하나가 전기로 변환할 수 있는 태양 에너지 양을 말한다. 실리콘과 페로브스카이트 모두 최근 25% 이상의 기록을 세웠다.
페로브스카이트에 관한 연구가 빠르게 진행됨에 따라 이것을 이용할 수 있기를 기대하는 연구원들도 대거 연구에 착수하고 있다. 새로운 성과를 기대하게 해주는 과학 논문도 여러 편 나왔고, 투자도 뒤따르고 있다. 예를 들어, 미국 에너지부는 페로브스카이트 개발 기업들을 상대로 스타트업 상을 수여한다.
마이크로퀀타 세미컨덕터(Microquanta Semiconductor), 옥스퍼드 PV(Oxford PV), 소울테크놀로지(Saule Technologies) 등 몇몇 스타트업은 수백만 달러의 투자금을 조성하고 심지어 시범 프로젝트를 설치했다.
하지만 이런 고무적인 분위기에도 불구하고 조만간 페로브스카이트를 사용한 옥상 태양광 설비를 할 수 없게 만드는 몇 가지 중요한 문제가 해결되지 않았다. 무엇보다 심각한 문제는 취약한 내구성이다.
그렇다. 예전보다 튼튼해진 건 사실이다. 페로브스카이트는 연구원들이 새로 만든 샘플을 실험실을 가로질러 운반하는 동안에도 산산조각이 나곤 했다.
하지만 안정성은 여전히 어려운 해결 과제다.
4월 과학 전문지인 <사이언스>에 발표된 한 최근 연구에서 연구원들은 효율성과 수명을 향상시키는 첨가제를 섞어넣어 페로브스카이트 태양전지를 만드는 새로운 방법을 찾아냈다. 이렇게 만들어진 전지는 실험실에선 1,500시간 동안 높은 열과 습기를 견뎌냈다.
문제는 현실세계에서도 이와 똑같은 긍정적인 결과를 얻을 수 있느냐다. 연구진이 실제 조건을 시뮬레이션하기 어렵고, 실리콘이 이미 기준치를 높여놓은 상태다. 많은 제조업체들은 그들이 만든 실리콘 패널이 30년이나 심지어 40년 동안 성능의 80%를 유지할 수 있다고 장담한다.
최근 실시한 현장 실험에서 연구진은 페로브스카이트 전지는 몇 달 지나도 초기 수준의 90% 이상의 성능을 유지한다는 사실을 발견했다. 하지만 이 기간 동안 전지 성능의 10% 가까이를 잃는다는 건 기대만큼 좋은 결과는 아니다.
또 다른 문제는 이 실험들이 모두 소형 전지를 갖고서 진행됐다는 것이다. 페로브스카이트 크기를 확대해서 한데 묶어서 실물 크기의 태양전지판을 이루는 대형 전지를 만들 경우 효율성과 수명에 문제가 생기곤 한다.
그린은 이러한 문제를 해결하지 못한다면 페로브스카이트가 태양전지 시장을 장악하는 날이 일부 연구자들이 생각하는 것처럼 가까워졌거나 확실해지지 않았다고 생각한다.
레티안 더우(Letian Dou) 퍼듀 대학 페로브스카이트 연구원은 페로브스카이트를 비바람으로부터 보호해주는 안정제와 물질들을 첨가하는 등의 방법으로 미세 조정하면 결과적으로 페로브스카이트 태양전지가 일상적인 작동 조건에서 20년 동안 지속될 수 있을 것으로 예측했다. 그는 다만 페로브스카이트가 의미 있는 상업적 발전을 이루려면 10년 이상의 시간이 걸릴 것으로 내다봤다.
이러한 여러 가지 어려움에도 불구하고 다양한 종류의 태양전지의 필요성이 커지고 있는 게 사실이다. 특히 지금 태양전지 물질에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있어서 더욱 그렇다고 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(Bloomberg New Energy Finance)의 제니 체이스(Jenny Chase) 태양 분석 책임자가 말했다.
그리고 페로브스카이트가 꼭 실리콘과 직접 경쟁할 필요는 없다. 페로브스카이트 층이 실리콘 전지 위에 쌓이는 탠덤 전지(tandem cell)에서도 사용할 수 있기 때문이다. 두 물질이 서로 다른 파장의 빛을 포착하기 때문에 상호 보완이 가능하다.
다만 페로브스카이트 태양전지를 훨씬 더 안정적으로 만들 수 있는 사람이 없다면 이런 어떤 일도 일어날 가능성이 낮다. 하지만 연구원들은 분명 그러한 기대를 버리지 않고 있다. 그린의 말처럼 “누군가가 정말로 성공시킬 가능성은 여전히 있다.”
[Tech Investor] 돈 되는 태양광…‘페로브스카이트’로 예측한 미래
문건일 변호사(테크인베스터)
최근 국내 한 연구진이 차세대 태양전지 소재로 꼽히는 ‘페로브스카이트(Perovskite)’를 활용해 태양광 효율을 25.2%까지 끌어올리는 데 성공했다. 아직 상용화하지 않았지만 이론상으로 87%까지 효율성을 높일 수 있는 기술인 점을 감안하면 조만간 기존 폴리실리콘 소재의 태양광 최고 효율성(26.7%)을 따라잡을 것으로 예측된다.
페로브스카이트 관련 국내 1위 기업인 한화솔루션은 기존의 폴리실리콘 위에 페로브스카이트를 쌓는 방법인 ‘탠덤(Tandem)셀’을 활용해 2025년까지 양산에 돌입한다는 목표를 세웠다. 이를 위해 지난 1월에는 페로브스카이트 관련 인재 250여명을 새로 유입하겠다고 밝혔다.그렇다면 페로브스카이트 소재 태양전지의 특징은 뭘까.첫째, 실리콘보다 광전효율이 높다는 점을 들 수 있다. 태양광 에너지를 기준으로 실리콘의 이론상 효율은 29%이고, 증명된 효율은 26.7%다. 그러나 페로브스카이트의 이론상 효율은 87%에 달하고, 달성 가능한 효율성은 현재 빠른 추세로 증가하고 있다.둘째, 제조 단가가 저렴하다. 실리콘은 1천400℃의 고온 공정을 거쳐야 하는 반면, 페로브스카이트는 100℃에서 공정이 가능해 제조 단가가 6배 이상 저렴하다. 더군다나 최근 코로나19 영향으로 태양광 발전용 유리 가격이 100%, 실리콘 가격이 50% 인상돼 실리콘 태양광 패널의 제조 단가가 상승하고 있다. 페로브스카이트의 가격 경쟁력이 더 강해질 전망이다.셋째, 가볍고 유연한 특성을 갖고 있다. 소재 특성상 실리콘보다 60분의 1 두께로 유연하기까지 한 것. 신문을 인쇄하듯 인쇄공정이 가능하고, 웨어러블기기나 건물 표면에도 적용할 수 있다.
<자료 : 한국수출입은행 해외경제연구소 제공>
페로브스카이트의 이와 같은 특징을 기반으로 예측해 본 가까운 미래는 더욱 흥미롭다.
먼저, 탠덤셀이 상용화할 경우 삼성전자와 맞먹는 글로벌기업이 탄생할 것이다. 한국수출입은행 해외경제연구소의 ‘글로벌 태양광 수요 현황 및 전망’ 자료(그래프 참조)에 따르면, 2022년 태양광발전산업의 세계시장 규모는 190GW다. 이는 2020년(130GW)보다 60GW가 증가한 규모다. 업계 안팎에선 이와 같은 성장세가 지속된다면 2025년에는 약 500조 원의 시장이 형성될 것으로 예측하고 있다.
2020년 4분기 기준 한국의 태양광 발전량은 4GW로 산업 전체의 3%에도 미치지 못하는 수준이다. 이마저 대부분은 중국기업이 생산하고 있다. 그러나 한화솔루션, 유니테스트, 신성이엔지 등의 기업이 앞선 기술력으로 태양광 점유율을 높인다면 시가총액 500조원에 달하는 삼성전자와 맞먹는 글로벌 기업이 탄생할 기반을 마련할 수 있다.
페로브스카이트의 유연하고 가벼운 특징은 기존 산업의 부가가치도 높일 것으로 예상된다. 가령 테슬라의 전기차 표면을 페로브스카이트 태양광으로 마감한다면 전기차 효율이 배 이상 증가할 수 있다. 중국 드론 제조사인 ‘이항’의 드론택시 경우 현재 배터리 기술로는 10분밖에 운행이 불가능하다. 하지만 표면에 새로운 태양전지를 입한다면 드론택시 상용화를 더욱 앞당길 수 있다.
스마트폰이나 태블릿 등 소형가전은 물론 웨어러블 기기에도 적용이 가능하다. 테슬라와 솔라시티의 일론 머스크를 비롯해 전 세계 기업이 굳이 전고체 배터리(Solid State Battery·배터리 양극과 음극 사이의 전해질이 고체로 된 2차전지)에 목을 맬 필요가 없는 것이다.
마지막으로 예상할 수 있는 미래는 광사태 기술 응용으로 충전이 필요 없는 시대의 도래다. 지난 1월 국내 연구진은 나노입자를 통해 빛의 연쇄증폭 반응을 보이는 현상, 즉 ‘광사태’ 현상을 발견해 네이처지 표지논문으로 게재한 바 있다. 광사태현상을 이용하면 마치 눈사태처럼 입력되는 에너지보다 더 큰 빛에너지를 출력할 수 있다.
물론 당장 상용화하기엔 이르지만 태양전지에 광사태(빛의 연쇄증폭) 현상을 활용한다면 흐린 날뿐만 아니라 실내 전등의 빛 수준만으로도 지금의 태양광전지와 같은 효율이 나올 수 있다. 애플과 삼성에서 충전기를 제공하지 않는 것이 당연시되는 시대가 올 수 있는 것이다.
에너지 혁명은 지금이 바로 그 시작일지도 모른다.
문건일
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페로브스카이트 태양전지
태양전지는 태양광선의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치를 말한다.
1876년 영국의 G. 애덤스 등에 의한 고체의 광기전력효과(光起電力效果)의 발견이 광전지 개발의 계기가 되었으며, 1954년 미국 벨연구소에서 1세대 태양전지인 ‘결정형 실리콘 태양전지’를 상용화 했다.
실리콘 태양전지는 전자계산기, 탁상용 시계 등 전력 사용량이 비교적 작은 전자기기에 널리 쓰이고 있지만 에너지 효율은 약 6%에 불과하다는 단점이 있다.
물론 실리콘을 얇게 만들어 빛이 쉽게 침투하도록 해 에너지 효율을 15%까지 올린 것도 있고, 특수한 무기 재료로 효율을 20%까지 높인 태양전지도 등장했지만, 이런 첨단 실리콘 태양전지는 만드는 비용이 매우 비싸 경제성이 떨어진다는 지적을 받고 있다.
때문에 현재까지도 가장 많이 쓰이는 제품은 에너지 효율 6%의 1세대 실리콘태양전지이며, 전 세계 시장의 90%을 차지하고 있다.
이에 비해 2세대 태양전지로 불리는 ‘박막형 태양전지’는 실리콘 태양전지보다 효율은 떨어지지만 만들기 쉽고 가격이 저렴하다는 장점이 있다.
박막형의 경우 제조 원가를 줄이기 실리콘 웨이퍼를 사용하지 않고 저렴한 원재료인 기판표면(유리,플라스틱 등) 위에 박막으로 화학재료를 증착해 만든다.
덕분에 중국업체 진출로 공급이 넘쳐나고, 유럽 선진국 보조금 중단으로 업황이 침체된 실리콘 태양전지 시장과는 차별화된 흐름을 보였다.
실제로 전 세계 박막 태양전지 시장 규모는 2008년 18억2000만달러에서 2009년 25억600만달러, 2010년 38억8000만 달러를 차지할 정도로 성장세가 가파르다.
▲ 페로브스카이트 태양전지 대면적 모듈. 사진=한국화학연구원
3세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지는 아직 상용화되지 못하고 있다.
2009년에 처음 선보인 페로브스카이트 태양전지는 불과 7년만인 2015년에 효율 20%를 돌파하는 기록을 얻었으며, 이는 결정질 실리콘 태양전지가 수십 년이 걸린 것과 비교하면 고무적이라는 평가다.
페로브스카이트 태양전지는 이러한 높은 효율과 더불어 낮은 재료비와 제조 단가로 인해, 결정질 실리콘을 대체할 수 있는 미래의 태양전지로 주목을 받고 있다.
이러한 전망으로 인해, 페로브스카이트 태양전지에 대한 특허출원이 급증하고 있기는 하지만, 최근에는 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구 결과가 주로 논문으로 발표되고 있고, 특허 출원으로는 이어지지 못하고 있는 것으로 나타났다.
페로브스카이트 태양전지 기술은 사이언스지가 선정한 10대 유망기술 중 하나로서 미래 태양전지 시장을 선점하기 위한 핵심기술이다.
그런 점에서, 현재 90%이상을 점유하고 있는 실리콘 태양전지 시장을 대체할 수 있는 페로브스카이트 태양전지 기술개발을 위해 더욱 노력해야 한다는 목소리가 높다.
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