전 세계적으로 증가하는 에너지 수요는 노후화된 기존 인프라를 대체할 수 있는 확장 가능하고 효율적인 발전 기술을 요구하고 있다. 기존 발전소는 건설에 수년이 걸리고, 단 1W의 전력을 생산하기 전부터 막대한 자본 투자가 필요하다. 반면 태양광(PV) 발전은 신속하게 구축할 수 있는 대안이지만, 근본적인 소재의 한계로 인해 발전 용량에는 제약이 따른다. 최근 재료과학의 혁신은 기존 태양광 패널 위에 직접 적층할 수 있는 프로그래밍 가능한 결정 구조를 도입함으로써, 태양 에너지를 포집하는 방식을 근본적으로 바꾸고 있다.
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이 기술의 발전 방향을 이해하기 위해, 이 글에서는 최근 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)의 팟캐스트 'The Tech Between Us'에 출연해 이러한 재료과학 혁신을 소개한 탠덤 PV(Tandem PV)의 최고경영자(CEO) 스콧 와튼(Scott Wharton)의 견해를 살펴본다. 또한 기존 실리콘 태양전지의 물리적 한계를 분석하고, 페로브스카이트 결정의 광전자 특성을 살펴보며, 적층형(탠덤) 구조가 제공하는 효율 향상 효과를 설명한다. 이를 통해 차세대 재생에너지 시스템에서 더 높은 성능과 유연성은 물론, 실내 및 대규모 전력망 환경에서의 에너지 수확을 가능하게 하는 기술적 가능성을 소개한다.
실리콘 태양전지의 물리적 한계
실리콘은 표준화가 잘 이루어진 제조 공정과 풍부한 원재료 덕분에 태양광 산업에서 가장 널리 사용되는 소재다. 그러나 근본적인 물리 법칙으로 인해 일반적인 실리콘은 태양광의 전 스펙트럼을 모두 전기 에너지로 변환할 수 없다. 현재 대규모 발전소에 적용되는 실리콘 태양광 패널의 평균 효율은 약 20% 수준이다.[1]
단일 접합(single-junction) 결정질 실리콘 태양전지는 이론적으로 최대 29.4%의 전력 변환 효율(PCE, Power Conversion Efficiency)을 달성할 수 있다.[2] 하지만 실제 환경에서는 열화(thermalization) 손실과 재결합(recombination) 손실을 피할 수 없기 때문에, 실질적인 최대 효율은 약 26% 수준에 머무른다.[3] 이와 같은 물리적 한계를 뛰어넘기 위해서는 서로 다른 밴드갭(band gap)을 가진 여러 광흡수 소재를 결합해 태양광 스펙트럼의 서로 다른 영역을 각각 흡수하는 방식이 필요하다.
페로브스카이트 결정의 재료과학
기존 실리콘의 물리적 한계를 뛰어넘기 위해 엔지니어들은 실리콘이 흡수하지 못하는 빛의 영역까지 포집할 수 있는 소재인 페로브스카이트(perovskite)에 주목하고 있다. 페로브스카이트는 세 가지 서로 다른 원소로 구성된 고유한 결정 구조를 가지며, 광전자(optoelectronic) 특성을 원하는 용도에 맞게 조절할 수 있는 것이 특징이다.
페로브스카이트 결정은 희토류 광물을 채굴할 필요 없이 실험실에서 전적으로 합성할 수 있다. 제조 과정에서는 원료를 인쇄 가능한 반도체 잉크, 박막 또는 분말 형태로 가공하며, 이를 통해 두께가 100nm에 불과한 증착층을 형성할 수 있다. 이러한 초박막 활성층은 기존 실리콘 웨이퍼보다 약 200배 더 얇다. 이처럼 초박막 층을 제조하는 데 필요한 에너지는 일반적인 실리콘 반도체 생산 공정에서 소비되는 에너지의 약 10%에 불과하다. 그 결과 제품의 전체 수명 주기에서 발생하는 탄소 배출을 줄일 수 있을 뿐 아니라 제조 단가도 낮출 수 있다.[4]
탠덤 아키텍처: 효율의 극대화
페로브스카이트는 광전자 특성을 조절할 수 있기 때문에, 엔지니어들은 특수하게 설계된 페로브스카이트 층을 기존 실리콘 위에 직접 적층해 훨씬 넓은 태양광 스펙트럼을 흡수할 수 있는 다중 접합(multi-junction) 아키텍처를 구현할 수 있다. 서로 다른 반도체 소재를 적층함으로써 기존보다 훨씬 넓은 영역의 태양 복사 에너지를 흡수하는 구조를 구현할 수 있는 것이다. 이러한 아키텍처를 활용한 탠덤 태양광(PV) 어레이는 초박막 페로브스카이트 상부층과 시중에서 사용되는 일반 실리콘 하부층을 결합한 구조를 사용한다. 페로브스카이트 층은 입사되는 태양광의 약 40%를 의도적으로 아래층으로 통과시키며, 이를 통해 하부의 실리콘 층이 나머지 광 스펙트럼을 전력으로 변환하도록 한다.
결과적으로 두 소재가 서로 다른 파장의 빛을 나누어 흡수함으로써 전체 에너지 수확량을 효과적으로 높일 수 있다. 현재 탠덤 PV(Tandem PV)가 개발한 기계식 적층 구조는 28%의 변환 효율을 달성했으며, 이는 단독 실리콘 태양전지보다 약 30% 높은 성능이다. 이 페로브스카이트-실리콘 탠덤 구조의 이론적인 최대 효율은 약 45%로 평가된다. 또한 향후 세 가지 소재를 적층하는 실험적 구조가 상용화될 경우, 이론적 효율은 최대 50% 수준까지 향상될 가능성이 있다.[5]
유연한 기판과 새로운 폼팩터
잉크와 같은 특성을 가진 페로브스카이트 소재는 단단하고 깨지기 쉬운 실리콘 웨이퍼로는 구현할 수 없는 다양한 물리적 응용을 가능하게 한다. 제조업체는 페로브스카이트 박막을 유연한 플라스틱, 금속 포일, 직물 등 다양한 기판 위에 직접 증착할 수 있다(그림 1). 현재 소비자 기술 기업들은 이러한 발전용 잉크를 우산, 자동차 도장면, 아웃도어 의류와 같은 수동적인 표면에 적용하는 방안을 실험하고 있다.
그림 1: 유연한 플라스틱 기판 위에 증착된 초박막 페로브스카이트 태양전지로, 뛰어난 굽힘 성능과 기계적 내구성을 보여준다. (출처: DigitalSpace/stock.adobe.com, AI 생성 이미지)
단단한 유리 패널과 달리 이러한 유연한 기판은 극심한 물리적 변형이 가해지는 환경에서도 높은 성능을 유지한다. 예를 들어, 한 연구에서는 30%의 압축 변형이 가해진 소자가 실외 환경에서 초기 발전 효율의 83%를 유지하는 것으로 나타났다.[6] 이러한 유연성 덕분에 엔지니어들은 기존 물체의 공기역학적 특성이나 물리적 설계를 변경하지 않고도 다양한 수동적 표면을 능동적인 발전 장치로 전환할 수 있다.
실내 에너지 하베스팅 성능
실내 환경은 일반적인 실리콘 태양광 발전이 효과적으로 작동하기 어려운 고유한 광 스펙트럼 특성을 갖고 있다. 실리콘 태양전지는 높은 강도의 넓은 스펙트럼을 가진 실외 햇빛에서 최적의 성능을 발휘하기 때문에, 저전력 주변기기나 사물인터넷(IoT) 하드웨어와 같은 실내 저조도 환경에는 적합하지 않다. 반면 페로브스카이트 구조는 상대적으로 색온도가 낮은 실내 조명 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘한다.
2024년 실시된 한 실험에서는 조도 870lx의 백색 발광다이오드(LED) 조명 아래에서 34%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성했다.[7] 이는 사무실 조명과 같은 주변광으로부터 에너지를 수확해 대기 상태의 충전기나 항상 전원이 연결된 IoT 기기에서 발생하는 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있음을 의미한다. 또한 고효율 실내 에너지 하베스팅 기술이 상용화되면, 개발자들은 배터리를 자주 교체할 필요가 없는 자가 구동형 무선 센서 네트워크를 설계할 수 있게 된다.
봉지 기술과 열화 방지
환경에 노출되면 이러한 결정 구조의 화학적 안정성이 위협받는다. 특히 수분은 페로브스카이트 태양전지에 매우 치명적인 요소로, 상대습도가 70%를 넘으면 성능이 빠르게 저하된다.[8]
이를 방지하기 위해 엔지니어들은 수분의 침투를 차단하고 내부 구성 요소를 영구적으로 보호할 수 있는 견고한 봉지(Encapsulation) 기술을 적용한다. 일반적인 대규모 태양광 패널은 활성층의 양면을 두꺼운 유리로 덮어 기밀성이 매우 높은 밀봉 구조를 형성한다. 이러한 밀봉 공정은 극한의 기상 조건이나 물리적 손상이 발생하더라도 납이 외부로 유출되는 것을 방지한다. 활성층에는 미량의 납이 포함되어 있지만, 견고한 기밀 밀봉 구조가 이를 외부로 새어 나오지 않도록 보호한다. 또한 기밀 밀봉 기술은 산화를 방지하는 동시에 내부 이온 이동을 안정화해 태양전지의 실제 사용 수명을 크게 연장하는 역할도 한다.[9]
전력망 통합과 대규모 구축
전력망은 기존 화석연료 기반 발전 인프라를 신속하게 대체하기 위해 표준화되고 신뢰성이 높은 발전 설비를 요구한다. 태양광 발전은 표준 제품을 즉시 공급받을 수 있고, 천연가스 발전소에 비해 설치 시간이 훨씬 짧기 때문에 신규 전력망 구축에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 2024년 전 세계 태양광 신규 설치 용량은 600GW에 달했으며, 이 가운데 중국이 350GW 이상을 설치했다.[10] 미국에서는 같은 해 태양광, 풍력, 배터리 에너지 저장장치가 전체 신규 발전 설비의 90%를 차지했다.[11] 배터리 에너지 저장장치의 부품 가격도 지난 10년 동안 약 70% 하락하면서, 전력망 운영자는 낮 동안 생산된 잉여 전력을 저장한 뒤 저녁 시간대에 안정적으로 공급할 수 있게 됐다.[12]
탠덤 PV의 최고경영자(CEO) 스콧 와튼(Scott Wharton)은 "많은 사람들이 태양광 발전을 주택 지붕에 설치하는 것으로만 생각하지만, 미국에서는 전체 태양광 설비 가운데 주거용은 10%에도 미치지 않는다"며 "실제로는 80% 이상이 고속도로를 달리면서 볼 수 있는 대규모 태양광 발전단지에 설치되어 있다"고 설명했다(그림 2).
그림 2: 대용량 배터리 에너지 저장 시스템과 결합된 유틸리티 규모의 태양광(PV) 발전 설비는 현대 전력망에 수백 기가와트(GW)의 전력을 공급한다. (출처: TechNova Graphics, AI 생성 이미지)
결론
태양광 산업이 기존 실리콘의 물리적 효율 한계에 도달함에 따라, 유연하고 고효율이며 확장 가능한 에너지 수확 기술을 구현해 현대 전력망의 안정성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 탠덤 아키텍처의 최신 기술 발전을 이해하는 것이 매우 중요해지고 있다. 실리콘 태양전지의 에너지 변환 효율은 이론적으로 30%에 미치지 못하는 수준에서 한계가 존재한다.
반면 페로브스카이트 기술은 이러한 기존 한계를 극복할 수 있으며, 인쇄가 가능한 고효율 소재로 기존 실리콘 기판과 자연스럽게 결합해 발전량을 높일 수 있다. 또한 유연한 적용이 가능해 실내 공간과 곡면 등 새로운 환경으로 발전 영역을 확대할 수 있으며, 견고한 기밀 봉지(hermetic encapsulation) 기술은 수분에 의한 성능 저하와 독성 문제를 효과적으로 해결한다. 전 세계적으로 전례 없는 속도로 태양광 설비가 구축되고 있는 것은 분산형 재생에너지 시대로의 전환이 빠르게 진행되고 있음을 보여준다. 이러한 발전은 낮과 밤을 가리지 않고 안정적이고 신뢰성 있는 전력을 전력망에 공급하는 기반이 될 것으로 기대된다.
참고 문헌
[1]https://css.umich.edu/publications/factsheets/energy/solar-pv-energy-factsheet
[2]https://ieeexplore.ieee.org/document/6557081
[3]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/eit2025ttbu-episode2-en
[4]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/ttbu-rrrtech-1
[5]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/eit2025ttbu-episode2-en
[6]https://doi.org/10.1021/acsaem.3c02581
[7]https://doi.org/10.1021/acsami.4c14736
[8]https://doi.org/10.1063/5.0197154
[9]https://doi.org/10.1021/acsami.5c02993
[10]https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2025/04/Snapshot-of-Global-PV-Markets_2025.pdf
[11]https://www.wri.org/insights/clean-energy-progress-united-states
[12]https://resources.mouser.com/eit-reduce-reuse-reimagine-tech/ttbu-rrrtech-1
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