페로브스카이트 탠덤 셀 기술의 원리와 발전, 한화큐셀에서 상용화?

태양광 발전 산업은

차세대 고효율 기술 개발을 통해 지속적인 발전을 이루어 왔습니다. 이러한 노력의 결실로 등장한 페로브스카이트 탠덤 셀 기술은 기존 실리콘 태양전지의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 기술입니다.

 

페로브스카이트 탠덤 기술은 기존 실리콘 태양전지의 효율을 뛰어넘는 높은 에너지 변환 효율과 저렴한 제조 비용으로 인해 태양광 발전 산업의 판도를 바꿀 잠재력을 지니고 있습니다.

페로브스카이트 탠덤 기술이란?

페로브스카이트 탠덤 기술은 페로브스카이트라는 특수한 결정 구조를 가진 물질과 실리콘 태양전지를 결합하여 만든 태양전지입니다. 각각의 소재가 서로 다른 파장의 빛을 흡수하여 에너지로 변환하는 원리를 이용하여, 기존 실리콘 태양전지보다 더 넓은 파장의 빛을 활용할 수 있습니다.

 

○페로브스카이트 : 뛰어난 빛 흡수 능력과 높은 전하 이동도를 가지고 있어 태양전지 소재로 매우 유망합니다.

○실리콘: 기존 태양전지에서 주로 사용되는 소재로, 안정성과 내구성이 뛰어납니다.

탠덤 셀의 작동 원리

페로브스카이트 탠덤 셀은 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지가 적층 된 구조입니다. 상부에는 페로브스카이트 셀이 있고 하부에는 실리콘 셀이 위치합니다. 이렇게 서로 다른 밴드갭을 가진 두 셀을 결합함으로써 넓은 파장 범위의 태양 스펙트럼을 활용할 수 있습니다.

 

태양광이 탠덤 셀에 입사하면 첫 번째로 페로브스카이트 셀에서 높은 에너지의 빛을 흡수합니다. 그 후 나머지 낮은 에너지 빛은 하부 실리콘 셀에서 추가로 흡수되어 광전 변환 과정을 거칩니다. 이를 통해 넓은 스펙트럼에 대한 반응도가 높아져 기존 단일 셀보다 높은 광전 변환 효율을 달성할 수 있습니다.

 

페로브스카이트 탠덤 셀의 역사와 발전 과정

페로브스카이트 탠덤 셀은 태양전지 분야의 떠오르는 신성으로, 그 짧은 역사에도 불구하고 놀라운 발전을 이루었습니다. 페로브스카이트 탠덤 셀의 역사와 발전 과정을 살펴보면 다음과 같습니다.

 

1. 페로브스카이트의 발견과 초기 연구

페로브스카이트의 발견: 1839년 러시아의 지질학자 레프 페로브스키가 우랄 산맥에서 처음 발견한 광물에서 유래된 이름입니다. 초기 연구: 페로브스카이트는 오랫동안 특별한 주목을 받지 못하다가, 1990년대 들어 광학적 특성이 뛰어나다는 사실이 밝혀지면서 태양전지 소재로서의 가능성이 제기되었습니다.

 

2. 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 급격한 효율 향상

페로브스카이트 태양전지의 탄생: 2009년 일본의 미야자키 히로시 교수팀이 페로브스카이트를 이용한 태양전지를 처음 개발하면서 태양전지 분야에 새로운 가능성을 열었습니다.

 

○급격한 효율 향상 : 초기에는 낮은 효율에 그쳤지만, 전 세계 연구진들의 노력으로 페로브스카이트 태양전지의 효율은 기하급수적으로 증가했습니다. 불과 몇 년 만에 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 달성하는 데 성공했습니다.

 

3. 탠덤 구조의 도입과 페로브스카이트 탠덤 셀의 등장

○탠덤 구조의 도입 : 태양전지의 효율을 더욱 높이기 위해 서로 다른 밴드갭을 가진 두 개의 반도체를 쌓아 올리는 탠덤 구조가 도입되었습니다. 

○페로브스카이트 탠덤 셀의 등장 : 페로브스카이트의 뛰어난 빛 흡수 능력과 실리콘의 안정성을 결합하여 페로브스카이트 탠덤 셀이 개발되었습니다. 탠덤 구조를 통해 더 넓은 파장의 빛을 흡수하여 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있게 되었습니다.

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탠덤 셀의 장점

페로브스카이트 탠덤 셀 기술은 높은 광전 변환 효율을 자랑합니다. 기존 실리콘 태양전지보다 최대 1.5배 높은 44%의 효율을 달성할 수 있어, 동일한 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다. 또한 실리콘과 페로브스카이트 태양전지의 결합을 통해 넓은 스펙트럼 범위의 빛을 흡수할 수 있어 태양광 에너지 활용 효율이 높습니다. 페로브스카이트 소재는 제조 공정이 간단하여 저렴한 비용으로 생산이 가능하며, 유연하고 가벼운 특성을 지니고 있어 다양한 응용 분야에 적용될 수 있습니다. 이처럼 페로브스카이트 탠덤 셀 기술은 높은 효율, 광범위한 활용성, 경제성 등의 장점을 통해 태양광 발전 산업에 새로운 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

●높은 에너지 변환 효율: 페로브스카이트와 실리콘의 시너지 효과로 기존 실리콘 태양전지보다 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 저렴한 제조 비용: 페로브스카이트는 용액 공정을 통해 제조할 수 있어 생산 비용이 저렴합니다.

●얇고 가벼운 무게: 기존 실리콘 태양전지보다 훨씬 얇고 가벼워 다양한 곳에 적용하기 용이합니다.

●넓은 파장 흡수: 페로브스카이트와 실리콘이 각각 다른 파장의 빛을 흡수하여 더 많은 태양광 에너지를 전력으로 변환할 수 있습니다.

페로브스카이트 탠덤 기술의 미래

페로브스카이트 탠덤 셀 기술은 기존 태양전지보다 높은 효율과 더 넓은 스펙트럼 활용 범위를 갖추고 있어, 태양광 발전 산업의 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 특히 간단한 제조 공정과 유연성, 가벼운 무게로 인해 다양한 분야에 응용될 수 있을 것입니다.

 

학계에서는 페로브스카이트 탠덤 셀이 향후 태양광 시장의 게임 체인저로 급부상할 것이란 평가를 내리고 있습니다. 향후 최대 발전효율을 기존 실리콘 셀 대비 1.5배 많은 44% 정도로 끌어올릴 수 있을 것으로 내다보고 있습니다. 하여 한국의 많은 연구원과 기업들이 페로브스카이트 연구에 박차를 가하여 좋은 성과를 내고 있습니다. 실제로 한화큐셀과 같은 기업은 이 페로브스카이트 연구에 집중하여 2026년 세계 최초 상용화를 목표로 탠덤 셀을 개발 중입니다. 또한 한화큐셀은 지난 3월 기준 최대 효율을 29.3%에 이르는 탠덤 셀 제작에 성공하기도 했습니다.

 

이러한 탠덤 셀 기술의 상용화는 재생에너지 보급 확대와 탄소중립 목표 달성에 크게 기여할 것으로 전망됩니다. 태양광 발전 단가 하락과 고효율 모듈 공급이 가능해지면서 신재생에너지 전환이 가속화될 것입니다. 앞으로 주거용뿐만 아니라 건물 일체형, 차량용 등 다양한 분야에서 탠덤 셀의 활용이 기대되며, 차세대 태양전지 기술로 자리잡을 전망입니다.

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