국내 연구진 일냈다…화학연·HD현대에너지 '건식' 탠덤 태양전지 세계 최고 효율

[이데일리 강민구 기자] 국내 정부출연연구기관과 기업이 협력해 대면적화에 유리한 태양전지 핵심기술을 개발하고, 건식 방식으로는 세계 최고 수준 효율을 달성했다. 전 세계적으로 탄소중립 기조에 따라 태양광 산업이 급성장하는 가운데 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 높인 것이다.

16일 한국화학연구원과 HD현대에너지솔루션이 차세대 실리콘 페로브스카이트 탠덤 태양전지 상용화를 위한 핵심 기술을 구현했다고 밝혔다.

한국화학연구원과 HD현대에너지솔루션 공동연구팀.(왼쪽부터)김범수 화학연 책임연구원, 전남중 화학연 센터장, 김태준 HD현대에너지솔루션 수석연구원, 조세빈 HD현대에너지솔루션 책임연구원.(사진=한국화학연구원)

OLED 양산에서 검증된 건식 기술 활용

탠덤(Tandem)은 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 층을 쌓아 직렬로 연결하는 방식이다. 태양광 흡수 대역을 확장해 기존 실리콘 셀 대비 최대 2배 이상의 효율이 기대되는 차세대 구조다.

화학연은 OLED 양산에 활용되는 건식 진공증착 기술을 응용해 고품질의 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있는 원천 기술을 확보하고, 이를 상용화 기술로 발전시키는 연구를 해왔다. 현재 전 세계 페로브스카이트 태양전지 제작 공정의 약 99% 이상이 습식 용액 기반 방식을 사용하는데 이 방식은 실험실에서 소규모로 제작하기 쉽고 효율을 높게 만드는데 유리하다. 실리콘 태양전지가 이론적으로 30% 이상 효율을 달성하기 어려운 반면 페로브스카이트 탠덤 구조는 이론적으로 40%가 넘는 효율을 달성할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 하지만 용액공정 방식은 대면적화와 공정 재현성·안정성을 확보하려면 추가 연구가 필요해 상용화가 어려웠다.

이에 따라 OLED와 같은 디스플레이 장치의 양산 공정에서 검증된 건식 진공증착 기술이 차세대 상용화 공정에서 주목받고 있다. 전남중 화학연 센터장은 “페로브스카이트 소재와 실리콘 태양전지를 결합하는 탠덤 구조로 효율을 극대화할 수 있다”며 “기존 용액 공정의 한계를 극복해야 하는 상황에서 건식 공정으로 실리콘 기판 위에 균일하게 증착해서 효율을 높이고, 대면적화할 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.

제작된 탠덤 태양전지 셀.(사진=한국화학연구원)

세계 최고 수준 효율…30% 이상 효율 목표

화학연구원과 HD현대에너지솔루션의 공동 연구팀은 이 기술을 상용 양면형 실리콘 셀 중에서도 효율이 가장 높고, 탠덤과 호환성이 우수한 HJT(헤테로정션) 셀에 적용했다. 그 결과, HJT-페로브스카이트 탠덤 태양전지 구조로 28.7%의 광전변환효율을 달성했다. 건식 진공증착 탠덤으로는 효율이 세계 최고 수준으로 평가된다.

화학연이 개발한 건식공정 기반 페로브스카이트 제작 기술과 HD현대에너지솔루션이 개발 중인 HJT 셀 기술을 결합해 상용화 기술 기반을 확보했다는 측면에서 산·연 협력의 결실로도 의미가 있다.

공동 연구팀은 확보한 공정과 소재 기술을 한층 고도화해 30% 이상 공인인증 효율을 조기에 달성하고, 향후 상용 제품에 적용 가능한 탠덤 셀의 대면적화와 모듈화 공정 기술 개발을 본격 추진할 계획이다.

제작된 탠덤 태양전지 구조.(사진=한국화학연구원)

양 기관은 이번 협력을 통해 차세대 태양전지 분야에서 한국이 기술 선도국으로 자리매김하고, 글로벌 태양광 시장에서 새로운 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대했다.

이영국 화학연 원장은 “출연연과 국내 기업이 협력해 신기술 기반 산업을 육성하는 모범 사례가 될 것”이라며 “앞으로도 지속적인 공동 연구와 기술 이전을 통해 국내 태양광 산업의 글로벌 경쟁력을 강화하겠다”고 강조했다.

박종환 HD현대에너지솔루션 대표는 “20년간 축적한 실리콘 태양광 기술과 화학연의 세계 최고 수준 페로브스카이트 기술이 결합해 이룬 성과”라며 “차세대 태양광 제품에 대한 국내 디바이스, 소재, 장비 등 전체 산업 밸류체인 구축에 기여할 수 있는 기술 기반을 확보하는데 앞장서겠다”고 전했다.