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- 실리콘 모듈은 25년 후에도 에너지 출력의 최대 90%를 생산
- 페로브스카이트 셀은 습기, 열, 빛으로 인해 시간 지나면 성능이 크게 저하되는 경향
- 최근 기술은 1,450시간 작동 후 약 99%의 효율 선보여
- 현실적인 시장 진입은 2~5년 정도 걸릴 것

문제는 어디에?
태양광 슈퍼소재로 가는 길의 장애물

따라서 페로브스카이트 태양전지가 높은 수준의 효율성을 갖고, 놀라울 정도로 빠르게 발전하고, 직렬형 태양전지에 거의 이상적이며, 저렴하게 생산할 수도 있다. 그런데 왜 실리콘 모듈은 여전히 ​​어디에서나 볼 수 있는데 지붕에는 사실상 페로브스카이트 흔적이 없는 걸까? 

▲ 이러한 실리콘-페로브스카이트 직렬 모듈이 더 널리 보급되지 않는 이유는 무엇일까? © 프라운호퍼 ISE

빠른 마모

이 수수께끼의 이유는 다른 태양광 모듈에 비해 페로브스카이트 셀은 상대적으로 불안정하고 환경 영향에 민감하다는 것이다. 태양전지는 폭설, 우박, 뜨거운 태양 아래에서도 수십 년 동안 온전한 상태를 유지하고 가능한 한 일관되게 전기를 생산해야 한다. 예를 들어 실리콘 모듈은 25년 후에도 에너지 출력의 최대 90%를 생산하는 반면, 페로브스카이트 셀은 습기, 열, 빛으로 인해 성능이 저하되는 경향이 있어 시간이 지남에 따라 성능이 크게 저하된다.

"사용 수명 측면에서 페로브스카이트 반도체 소재를 기반으로 한 태양광 모듈은 아직 기존 실리콘 모듈과 경쟁할 수 없다"고 베를린 헬름홀츠 센터의 Steve Albrecht는 설명했다. 하지만 페로브스카이트 태양전지를 영구적으로 설치하면 수십 년 동안 안정적인 성능을 발휘할 수 있을 것”이라고 말했다. 

▲ 이러한 페로브스카이트 태양전지는 노화 테스트에서 얼마나 빨리 분해될까? © HI ERN / Kurt Fuchs

오래 지속되는 페로브스카이트를 찾고 있다

이러한 이유로 현재 연구자들은 페로브스카이트 태양전지의 열화 문제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 예를 들어, 로스앤젤레스에 있는 캘리포니아 대학교 팀은 안정화 첨가제로 페로브스카이트 시작 용액에 카페인을 혼합했다.

성공:
1,300시간 후에도 카페인 태양전지는 초기 효율의 86%를 보여주었다. 뉘른베르크 연구원들은 특히 안정적인 페로브스카이트 변종을 식별함으로써 2021년에 오래 지속되는 성과를 달성했다. 이 전지는 1,450시간 작동 후 약 99%의 효율을 보였다.

2024년 초, 스웨덴 연구팀은 4,500시간 이상, 즉 거의 200일이 지나도 거의 감지할 수 없는 성능 손실을 보이는 페로브스카이트 셀을 생산하는 데 성공했다. 이 데이터를 추정한 결과, 태양전지는 9년 후에는 원래 출력의 80%까지만 떨어질 것이라는 사실도 나타났다. 웁살라에 있는 Jiajia Suovom Ångström 연구 센터는 “우리가 아는 한, 이것은 현재까지 보고된 페로브스카이트 필름 중 가장 안정적인 필름이다”고 말했다.

높은 납 함량

그러나 페로브스카이트 셀은 또 다른 문제를 제기한다. 모듈이 손상되어 환경에 유입되면 많은 셀에 포함된 납이 누출될 수 있다. 이 중금속은 독성이 있으며 인간과 동물의 장기와 신경계에 급성 및 점진적 손상을 유발한다. 어린이의 경우 납에 장기간 노출되면 뇌가 영구적으로 손상될 수 있으며, 예를 들어 지능이 손상될 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

이러한 환경 및 건강상의 결과를 방지하기 위해 페로브스카이트 혼합물에서 납을 대체할 대체 물질 연구가 이미 진행 중이다. 납은 주석과 같은 대체 2가 금속으로 대체될 수도 있다. 그러나 이러한 페로브스카이트는 낮은 안정성과 효율적인 전하 추출과 같은 문제에 직면해 있다고 Prince Muhammad Bin Fahd University의 Syed Hasnain은 설명한다.

▲ 주석을 함유한 페로브스카이트 전지는 납중독을 예방하기 위한 것이다. © University of Oxford Press Office

2~5년 내 시장 진입

라이프니츠 고체재료연구소(Leibniz Institute for Solid State and Materials Research)의 야나 바인조프(Yana Vaynzof)에 따르면, 페로브스카이트 셀이 시장에 성숙되기 전에 극복해야 할 몇 가지 주요 과제가 여전히 남아 있다. 이는 대규모 모듈의 생산, 안정성 및 지속 가능성과 관련이 있다. 하지만 그녀는 희망을 가지고 미래를 바라본다. Vaynzof는 “페로브스카이트 태양전지의 효율성이 급격히 증가하고 생산이 용이해 에너지 전환에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.
다른 전문가들도 모듈이 곧 시장에 출시되는 데 방해가 될 만한 것이 없다고 생각한다. “페로브스카이트 태양전지를 사용한 최초의 부품은 이미 Saule 회사 등을 통해 시장에 나와 있다. 현실적인 시장 진입은 2~5년 정도 걸릴 것으로 보인다”고 Albrecht는 설명했다. 그에 따르면 페로브스카이트는 에너지 전환에 상당한 기여를 할 수 있다. (끝)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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