페로브스카이트(Perovskite)

절연체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물을 말하며 회티타늄석이라고도 한다. 화학식은 CaTiO3, 분자량 135.9562, 결정계는 사방정계이다. 페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물(鑛物)을 뜻하며, 광물학자 이름(레브 페로브스키)에서 유래한 명칭이다. 현재는 이 광물의 결정 구조와 동일한 구조를 갖는 모든 물질을 지칭하는 용어로 사용된다. 자외선과 가시광선 등 단파장의 빛을 흡수할 수 있어 태양 전지 소재로 활용되며, 페로브스카이트(perovskite) 발광체는 색의 순도가 높고 색 조절도 쉽다는 특성이 있다. 페로브스카이트는 차세대 태양전지의 핵심 소재로 꼽히며 과학·산업계 주목을 받고 있다.

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차세대 태양전지 상용화 두고 세계는 ‘소리 없는 전쟁’

경기도 판교에 있는 한화 큐셀 R&D(연구개발) 센터의 공정개발실.

이곳 연구실에서는 태양전지 샘플을 레이저와 현미경으로 점검하는 과정이 진행되고 있다. 문수진 한화 큐셀 연구팀장은 “분석 중인 샘플이 현재 개발 중인 페로브스카이트(perovskite) 태양전지”라며 “상용화에 도전하는 세계의 기업과 연구기관의 경쟁이 치열하게 벌어지고 있다”고 했다.

초효율·상용화 경쟁 치열
최근 MIT(매사추세츠공대) 테크놀로지 리뷰도 ‘초효율 태양전지’를 2024년을 빛낼 10대 혁신기술로 선정하면서 대표적 예로 페로브스카이트를 활용한 태양전지를 꼽았다.

기존 실리콘과 페로브스카이트를 결합한 태양전지가 이르면 3년 안에 상용화돼 에너지 혁명을 이끌 것으로 전망한 것이다.

이는 기존의 실리콘 태양 전지 위에 페로브스카이트를 씌우는 방식으로, ‘페로브스카이트 탠덤 전지’로 불린다. 자외선과 가시광선 등 짧은 파장의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 특성을 활용해 단파장을 잡고, 실리콘으로는 장파장을 잡아냄으로써 전환 효율을 극대화하는 것이다.

현재 양산되는 실리콘 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 전환효율이 최대 27 %를 넘지 못하고 있다. 과학계가 추정하는 이론적 한계 효율도 30 % 미만이다. 이에 비해 페로브스카이트를 더한 태양전지의 이론적 한계 효율은 44 %에 달한다. 상용화가 되면 효율이 30 %를 훌쩍 넘어설 것이라는 기대를 모으는 배경이다.

아직 상용화에 이르진 못했지만 실험 단계에서 30 %를 잇따라 뛰어넘으며 가능성을 보여주고 있다. 2023년 4월 사우디아라비아 킹 압둘라 과학기술대(KAUST)는 33.2 % 효율로 세계기록을 세운 뒤 두 달 만에 33.7 %로 자기 기록을 경신했다. 이후 석 달 만에 중국의 룽지 그린에너지가 33.9 %로 기록을 깨는 등 효율을 높이기 위한 각국 경쟁이 달아오르고 있다.

MIT 테크놀로지 리뷰는 초효율 태양전지 상용화가 유력한 세계 상위 7곳 회사 가운데 하나로 한화 큐셀을 꼽았다. 한화큐셀 관계자는 “충북 진천 공장에 페로브스카이트 탠덤 전지 시제품 설비 구축에 들어갔고, 올해 하반기 시험 가동을 목표로 하고 있다”고 했다.

발광 소자로 개발, 디스플레이에 활용

페로브스카이트는 태양전지 외에도 디스플레이 소자 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다. 2024. 1. 16일 국제학술지 네이처 나노테크놀로지에는 이태우 서울대 교수 연구팀이 페로브스카이트를 활용해 고효율에 수명이 긴 발광 소자를 개발했다는 논문이 게재됐다.

페로브스카이트는 차세대 디스플레이 소자로도 주목받고 있지만 기존의 유기발광소자(OLED)보다 효율이 낮다는 한계가 있는데, 특성이 다른 소자와 결합해 단점을 극복했다는 것이다.

MIT 테크놀로지 리뷰는 페로브스카이트 상용화에 대해 “더 안정적인 화합물로 만들기 위한 연구가 활발하게 잇따르고 있어 3~5년 안에 성과를 볼 수 있을 것”이라고 전망했다.