'고체 페로브스카이트 태양전지' 세계적 권위자 (박남규 성균관대 교수)

01핵심 개요

02핵심 내용 구조

인터뷰는 태양전지가 재조명되는 배경(기후변화 대응 + AI 데이터센터 전력난 + 우주산업 수요)에서 출발해, 기존 실리콘 태양전지의 역사와 한계를 짚은 뒤 페로브스카이트의 물성적 우위(흡광계수, 결함 내성)로 넘어간다. 이어 박남규 교수 본인이 액체 상태였던 페로브스카이트 태양전지를 고체화하여 2012년 9.7% 효율로 최초 발표한 개발 스토리를 상세히 설명한다. 후반부는 현재 28% 실험실 효율까지 오른 기술 현황, 실리콘-페로브스카이트 텐덤 셀 경쟁 구도(중국 100여 개사 대 한국 1개사), 우주산업·모바일 등 신규 응용처, 그리고 한국이 나아가야 할 다중접합 초격차 전략과 K에너지 수출 비전으로 마무리된다. 전체적으로 기술 원리 설명과 산업 경쟁 구도 분석이 교차하는 구성이다.

03기술적 맥락

실리콘 태양전지는 1954년 벨연구소에서 약 6% 효율로 처음 발표됐고, 1958년 미국 뱅가드 인공위성에 10% 효율로 최초 탑재됐다. 이후 2000년대 들어 상용 효율 22~23%(실험실 25~28%) 수준까지 개선되며 시장을 지배해왔다. 페로브스카이트는 화학식 ABX3 구조(A=유기물, B=납·주석 등 금속, X=요오드 등 할로겐 원소)를 가진 물질로, 1978년 독일 슈투트가르트대에서 메틸암모늄 납 요오드화물이 합성됐고 2007년 일본 미야사카 교수가 염료감응형 태양전지에 양자점 형태(효율 2%)로 처음 응용했다. 박남규 교수는 1997년 미국 NREL에서 염료감응 태양전지를 연구하다 액체 전해질 속에서 쉽게 녹아버리는 페로브스카이트를 고체 홀전도체로 대체하는 데 성공, 2012년 8월 효율 9.7%·안정성 500시간을 달성한 논문을 발표하며 고체 페로브스카이트 태양전지 분야를 개척했다. 현재 페로브스카이트 단독 셀 효율은 실험실 기준 28%까지 올라 실리콘 실험실 효율과 대등한 수준에 도달했다.

04전략적 의미

페로브스카이트가 산업적으로 주목받는 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 무게당 발전량이 실리콘(1kg당 약 2kW) 대비 약 15배(1kg당 약 30kW)에 달해 로켓 발사 비용이 중요한 우주산업(인공위성 태양전지 날개판)에 결정적으로 유리하며, 실제로 일론 머스크의 스페이스X와 미국 NASA가 방사선·온도변화 내구성 테스트를 진행 중이다. 둘째, AI 데이터센터의 폭증하는 전력 수요에 대응하는 청정에너지원으로서, 실리콘 위에 페로브스카이트를 얹는 텐덤(이중접합) 방식이 단일 실리콘 대비 약 1.3배 효율 향상(27%→35% 안팎)을 가져오면서도 제조원가 증가는 약 15%에 그쳐 경제성이 높다. 다만 중국은 이미 실리콘 태양전지 시장을 사실상 장악한 상태에서 100여 개 기업이 텐덤 양산에 뛰어들었고 일부는 1~2GW급 생산시설을 갖춰, 한국(한화큐셀이 독일 기업 인수 후 텐덤 양산 준비 중인 1개사)이 이 구도에서 가격 경쟁력을 확보하기는 현실적으로 어렵다는 것이 교수의 진단이다.

05핵심 워크플로우·방법론 (비교표)

텐덤 구조의 원리는 건전지 두 개를 직렬 연결하면 전압이 합산되는 것과 유사하다. 위층은 짧은 파장을, 아래층은 긴 파장을 흡수하도록 역할을 분담해 광 스펙트럼 전체를 더 효율적으로 활용한다. 다중접합에서는 각 층 사이의 인터페이스(접합) 기술이 효율과 내구성을 동시에 좌우하며, 이때 중간층(interlayer) 물질 개발이 핵심 특허 영역으로 꼽힌다.

06활용 시나리오

• 우주·위성 산업: 초경량·고출력밀도 특성으로 인공위성 태양전지 날개판 무게를 대폭 절감, 로켓 1회 발사당 탑재 위성 수 증대에 기여
• AI 데이터센터 전력 공급: 텐덤 셀을 데이터센터 지붕 면적의 절반 정도만 덮어도 자체 발전 가능한 수준의 고효율 확보, ESS와 결합해 24시간 부하 변동 대응
• 모바일·자동차 기기: 가벼운 특성을 살려 스마트폰 후면이나 자동차 거치대에 코팅해 실내조명에서도 자동 충전하는 응용 가능
• 산업 전기화(산업 전화) 연계: 태양광 발전 잉여 전력을 오븐·인덕션 같은 열 공정에 활용해 화석연료 기반 열원을 전기로 대체
• K에너지 수출 패키지: 초고효율 태양전지 + 스마트 ESS + 산업 전기화 + AI 디지털트윈 운영을 하나의 통합 시스템으로 묶어 해외 수출하는 국가 전략 상품화

07현황 및 전망

가장 큰 기술적 과제는 내구성이다. 페로브스카이트는 극성 용매와 수분에 취약해 초기에는 안정성이 크게 부족했으나, OLED의 봉지(insulation) 기술을 응용한 연구를 통해 현재 최소 10년 안정성은 확보된 상태다. 다만 실리콘 수준인 20~25년 이상 내구성을 달성하려면 추가 연구가 필요하다. 상용화는 아직 초기 단계이며, 중국이 실리콘 텐덤 분야에서 100여 개 기업과 GW급 생산능력으로 압도적 우위를 점한 반면 한국은 1개 기업만 참여하고 있어 정면 승부는 불리하다. 교수는 한국이 실리콘을 배제한 전(全) 페로브스카이트 다중접합(3중~6중 적층, 이론상 49~50% 효율)이라는 아직 아무도 상용화하지 않은 영역에서 초격차 기술을 확보하고, 이를 ESS·산업 전기화·AI 디지털트윈과 결합한 'K에너지' 통합 시스템으로 수출해야 한다고 제언한다. 동시에 정부의 신재생에너지 투자에도 불구하고 국내 산업 생태계(제조 기업)가 취약한 점을 시급히 보완해야 할 과제로 지적했다.

08용어 사전