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[연재기고] 신재생 기술 선도하는 한전 전력연구원

차세대 태양전지 ‘페로브스카이트’, 세상을 바꾸다

등록일 2020년01월13일 17시04분 트위터로 보내기 싸이월드 공감 네이버 밴드 공유

[에너지신문] 에너지전환이 국가적 과제로 진행되고 있는 가운데 다양한 신재생에너지 기술개발에 주력하고 있는 한전 전력연구원. 특히 단순 R&D에서 벗어나 개발된 신기술의 상용화 및 해외수출에도 적극 나서고 있다. 본지는 새해를 맞아 전력연구원 핵심 연구진들이 직접 연구 성과를 소개하는 자리를 마련했다./편집자주


▶페로브스카이트, 기존의 벽을 뛰어넘다
전세계적으로 태양광 산업이 무섭게 성장하고 있다. 2019년 세계 태양광 시장의 현황을 보면, 태양광 설비는 연초 예상치 120GW를 넘어선 125GW가 설치되었고, 국내의 경우 2019년 태양광 보급목표 1.63GW를 7월에 조기달성했다.

질적인 성장도 돋보였다. 지난해 국내 업계가 KS인증을 받은 태양광 모듈 중 19% 이상의 효율을 기록한 제품 비중은 약 19%에 불과했으나 올해는 약 69%로 급상승했다. 하지만 태양광 발전의 가파른 성장세가 국내의 부족한 설치면적으로 인해 줄어들 것이라는 부정적인 전망이 제기되고 있다.

이 같은 상황에서 전력연구원이 적극적으로 연구를 추진하고 있는 ‘페로브스카이트’ 태양전지 연구가 많은 이들의 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 투명성을 지니고 있으며 얇은 박막으로도 제작이 가능해 건물 벽면, 발코니 등 건물 외장에 태양전지를 설치하는 건물 일체형 태양전지(BIPV, Building Integrated Photovoltaics)로서 적용이 가능하다. 이러한 이유로 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 설치할 면적이 부족하고 고층 건물이 많은 국내에 적합한 태양광 발전기술이다. 또한 1000℃ 이상의 고온 생산공정이 필요한 실리콘 태양전지와 달리 400℃ 이하의 공정을 통해 낮은 비용으로 생산이 가능하며, 빛을 전기로 전환하는 광전변환효율이 실리콘 태양전지에 비슷해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
 

▶건물 외벽에 태양전지…새로운 신재생 모델
BIPV 시스템이란 태양광 모듈을 건물의 외벽, 창호 등에 설치해 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전시스템이다. 태양전지가 하나의 건축자재로 활용되며 생산된 전기에너지를 바로 건물 내부로 공급해 사용할 수 있어, 탄소에너지를 전혀 사용하지 않는 제로에너지 빌딩의 건설이 가능하다.
대부분의 에너지를 소비하는 도심의 빌딩에서 자체적으로 전력을 생산할 수 있으며, 청정 에너지 자원인 태양 에너지를 이용하고, 건물을 에너지 소비자에서 에너지 생산자로의 전환을 가져올 수 있다는 점에서 BIPV는 많은 장점을 가지고 있다
BIPV는 전기를 생산하는 것에 그치지 않고, 다양한 색상의 태양전지를 적용, 건물 외벽의 심미성을 높일 수 있다.(사진 참조) 페로브스카이트 태양전지는 물질의 조성에 따라 밴드갭을 1.5~2.3eV 범위에서 자유롭게 조절 가능해 다양한 색상 구현이 가능하므로 BIPV에 적합한 차세대 태양전지 기술이다. 경제적인 효과도 상당한 수준이다.
20층 빌딩 기준 200kW급 페로브스카이트 태양전지를 부착하면 연간 5795만원의 전력판매 및 210톤의 이산화탄소 저감이 가능하다.



▲ 태양전지 창문.
 

▶전력연구원, 평판형 세계최고 효율 달성
전력연구원은 제조공정 최적화를 통해 2018년 미국 네이처에너지 저널에 발표된 역구조 평판형 태양전지 최고효율 20.1%를 넘는 20.4%(광활성 면적≥1cm2)를 달성했다.

전력연구원의 역구조 평판형 페로브스카이트 태양전지는 400℃ 이상에서 제조되는 기공형 페로브스카이트에 비해 200℃ 이하에서도 제작이 가능하고 생산비용도 60~70% 수준에 불과하다. 하지만 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 소재보다 수명이 짧은 게 단점이다.

전력연구원은 수명 문제 개선을 위해 반투명 태양전지를 고온다습한 특수 장치에서 보관, 1000시간 경과를 지켜보며 외부 환경에 따른 효율 변화를 테스트 하고 있다. 현재 소자봉지 기술을 적용한 전력연구원의 페로브스카이트 태양전지는 85℃, 85%의 고온다습한 환경에서 1000시간이 경과한 이후에도 성능저하가 나타나지 않은 우수한 결과를 보여주고 있다.
 

▶선루프·주차장 지붕·창고 등 다양한 적용 추진
전력연구원은 유리창호형 태양전지 개발을 위해 향후 태양전지 대면적화 공정 및 습기와 자외선에 안정적인 소재 개발 등 상용화를 위한 기술을 확보하고, 창고, 주차장 지붕이나 자동차 썬루프등에 페로브스카이트 태양전지를 적용해 현장실증을 진행할 계획이다. 전력연구원 관계자는 “페로브스카이트 태양전지의 설치가 쉽고 공간 제약이 크지 않은 장점을 활용해 창고, 공장, 주차장 지붕이나 자동차 선루프 등에도 적용할 계획이다”고 강조했다.

국내 에너지 신산업 시장은 2030년까지 100조원 규모로 커질 것으로 추정되고 있으며, 이에 따라 도시공간에서의 에너지 생산 수단으로 ‘페로브스카이트’ 태양전지의 점유율도 크게 증가할 것으로 예상된다.


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출처 : 에너지신문(http://www.energy-news.co.kr)

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