차세대 태양전지는 실리콘을 대체할까, 아니면 실리콘과 결합할까?
현재 세계 태양광 시장의 주력은 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지입니다. 그러나 최근 차세대 태양전지로 가장 주목받는 기술 가운데 하나가 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지입니다.
특히 중요한 것은 페로브스카이트가 단순히 실리콘 태양전지를 대체하는 데 그치지 않고, 실리콘 위에 페로브스카이트를 적층한 탠덤(Tandem) 태양전지로 발전하고 있다는 점입니다.
1. 기존 실리콘 태양전지란?
실리콘 태양전지는 고순도 실리콘을 반도체로 사용합니다. 태양광이 실리콘에 입사하면 전자와 정공이 생성되고, 이들을 분리하여 전류를 얻는 것이 기본 원리입니다.
일반적인 제조공정은 다음과 같습니다.
규석·금속실리콘 → 고순도 폴리실리콘 → 단결정 잉곳 → 웨이퍼 → 태양전지 셀 → 모듈
실리콘 태양전지의 가장 큰 장점은 이미 대규모 산업이 형성되어 있고 장기간 사용에 대한 신뢰성이 높다는 것입니다. 반면 고순도 실리콘 제조, 잉곳 성장, 웨이퍼 절단 등의 공정이 필요하므로 제조공정이 비교적 복잡하고 에너지 소비도 큽니다.
2. 페로브스카이트 태양전지란?
페로브스카이트는 원래 특정 결정구조를 나타내는 명칭입니다. 태양전지에서는 주로 금속-할라이드 페로브스카이트(Metal-Halide Perovskite)가 빛을 흡수하는 활성층으로 사용됩니다.
대표적인 구조는 일반적으로 ABX₃ 형태로 표현할 수 있습니다.
A : 유기 또는 무기 양이온
B : Pb, Sn 등의 금속 양이온
X : I, Br, Cl 등의 할로겐 음이온
이 물질은 매우 얇은 막으로도 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있습니다. 미국 에너지부(DOE)에 따르면 페로브스카이트는 결정질 실리콘보다 훨씬 얇은 활성층을 이용할 수 있는 박막형 태양전지이며, 조성을 조절하여 흡수하는 빛의 영역, 즉 밴드갭을 조절할 수 있다는 장점이 있습니다.
3. 실리콘과 페로브스카이트의 차이
| 구분 | 실리콘 태양전지 | 페로브스카이트 태양전지 |
|---|---|---|
| 주재료 | 결정질 Si | 금속-할라이드 페로브스카이트 |
| 형태 | 웨이퍼 기반 | 박막 기반 |
| 제조공정 | 고온·웨이퍼 공정 | 저온·코팅공정 가능 |
| 두께 | 비교적 두꺼움 | 매우 얇게 제조 가능 |
| 장점 | 높은 신뢰성·긴 수명 | 경량·고효율·공정 단순화 가능 |
| 단점 | 제조 에너지와 소재 사용량 | 수분·열·UV 등에 대한 안정성 |
| 산업화 | 대규모 상용화 | 상용화를 위한 기술개발 단계 |
| 향후 방향 | 고효율화·박형화 | 실리콘과 탠덤화 |
4. 왜 페로브스카이트가 주목받는가?
가장 큰 이유는 효율 상승 속도입니다.
페로브스카이트 연구용 소면적 셀의 효율은 2009년 약 3% 수준에서 현재 26%를 넘는 수준까지 발전했습니다. 특히 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 셀은 약 34% 수준의 고효율 영역에 도달했습니다. (The Department of Energy's Energy.gov)
여기서 중요한 개념이 탠덤 태양전지입니다.
태양광에는 다양한 파장의 빛이 섞여 있습니다. 단일 실리콘 셀 하나만으로 모든 파장의 에너지를 최적으로 이용하기 어렵습니다.
따라서
상부 : 페로브스카이트 셀 → 고에너지 영역의 빛 흡수
하부 : 실리콘 셀 → 페로브스카이트를 통과한 빛 흡수
와 같이 두 종류의 태양전지를 적층합니다.
결국 동일한 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있습니다. 태양광발전소에서는 면적당 발전량이 증가하기 때문에 토지, 구조물, 케이블 등의 시스템 비용 측면에서도 의미가 있습니다.
5. 그렇다면 실리콘 태양전지는 사라질까?
당분간은 그럴 가능성이 낮다고 봅니다. 오히려 현실적인 발전 방향은 페로브스카이트가 실리콘을 완전히 대체하는 것보다 실리콘과 결합하는 방식일 가능성이 높습니다. 실리콘은 이미 수십 년간 사용되면서 생산기술, 장비, 공급망 및 장기 신뢰성이 축적되어 있습니다. 반면 페로브스카이트는 수분, 산소, 열, 자외선 및 전압 등에 의해 성능이 저하될 수 있습니다. DOE 역시 장기간 옥외사용을 위한 안정성과 대면적 제조를 상용화의 핵심 과제로 보고 있습니다.
특히 일반적인 실리콘 모듈과 경쟁하려면 20~30년 수준의 장기 내구성을 확보하는 것이 중요합니다.
6. 재활용 측면에서는 새로운 문제가 생긴다
페로브스카이트 태양전지가 대량 보급되면 리사이클링 산업에도 새로운 시장이 만들어질 수 있습니다.
기존 폐실리콘 태양광 모듈에서는 주로
유리 → Al 프레임 → Cu → Ag → Si → 폴리머
등의 회수가 중요합니다.
반면 페로브스카이트 및 실리콘-페로브스카이트 탠덤 모듈에서는 기존 소재에 더하여 Pb, Sn, 할로겐계 물질, 전극재료 및 기능성 박막의 분리·회수 문제가 추가될 수 있습니다. 특히 Pb를 사용하는 페로브스카이트의 경우 파손 및 폐기 단계에서 납의 환경적 영향을 관리하는 기술이 중요합니다. DOE에서도 납 사용에 따른 환경·건강 영향과 회수·재사용 및 폐기단계 관리에 관한 연구가 진행되어 왔습니다.
7. 앞으로의 태양전지 산업
향후 태양광 산업의 경쟁은 단순히 셀 효율만으로 결정되지는 않을 것입니다.
고효율 + 장수명 + 저가 제조 + 대면적 생산 + 재활용성 이 다섯 가지를 동시에 만족시키는 기술이 중요합니다. 따라서 차세대 태양전지는 기존 실리콘을 버리고 완전히 새로운 소재로 전환하는 것보다는, 실리콘 태양전지 → 고효율 실리콘 → 페로브스카이트/실리콘 탠덤 → 차세대 다중접합 태양전지형태로 진화할 가능성이 큽니다.
특히 도시광산과 금속회수 관점에서는 앞으로 폐태양광 패널이 단순한 유리·알루미늄 폐기물이 아니라 Si·Ag·Cu와 Pb·Sn 등 다양한 유가금속 및 기능성 소재를 회수하는 복합 도시광산 원료가 될 가능성에 주목할 필요가 있습니다.
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