“우주 발전소의 핵심” 머스크가 찜한 ‘페로브스카이트 태양전지’
2026.05.11 11:22
고효율·초경량·저비용 태양광 소재
우주 AI DC 위한 태양광 필수재료
미국·중국·유럽 등 R&D투자 경쟁
한국, 효율개선 및 상용화 투자 활발
우주 AI DC 위한 태양광 필수재료
미국·중국·유럽 등 R&D투자 경쟁
한국, 효율개선 및 상용화 투자 활발
| 한국화학연구원이 개발한 페로브스카이트 태양전지 플렉서블 필름. [한국화학연구원 제공] |
“우주는 구름도, 밤도, 계절도 없이 365일 동일한 햇빛을 받는 곳으로 에너지 문제 해결을 위한 최적의 장소다. 우주로 가기 위해서는 무게라는 벽을 넘어야 하는데 페로브스카이트 태양전지가 바로 최적의 해답이 될 것이다.”
최근 미국 우주 기업 스페이스X 창업자 일론 머스크가 페로브스카이트 태양전지를 “우주 AI 데이터센터 구축을 위한 우주 태양광의 핵심”이라고 언급하면서 새롭게 주목받고 있다.
페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물에 붙여진 이름으로 같은 결정구조를 가진 모든 물질을 일컫는다.
▶건물·창호·항공우주 분야 적용 가능=페로브스카이트 태양전지는 기판 위에 용액을 코팅해 비교적 쉽고 저렴하게 대량생산할 수 있는 차세대 태양전지다. 매우 얇은 막으로도 빛을 잘 흡수할 수 있고, 고온·진공 중심의 복잡한 공정이 아니라 낮은 온도와 용액 공정으로도 제작할 수 있다. 쉽게 말해, 기존 실리콘보다 더 얇고 가볍고, 휘어지는 형태나 반투명한 형태로도 만들 가능성이 크다.
이런 특성 덕분에 지붕 위 설치형 태양광을 넘어 건물 외벽, 창호, 자동차 지붕, 실내 센서, 웨어러블 기기, 항공·우주용 전원 같은 새로운 응용처가 열릴 것으로 전망된다.
현재 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높여 상용화하기 위한 중국, 미국, 한국의 경쟁이 치열하게 전개되고 있다.
중국 기업 우트모라이트는 2025년 우시에 세계 최초 기가와트급 페로브스카이트 태양전지 모듈 생산라인을 가동했다. 연간 180만 장 규모의 모듈 생산을 목표로 하고, 건물일체형 태양광(BIPV) 제품까지 염두에 두고 있다.
중국은 실리콘 태양전지에서 세계 최강의 공급망을 갖춘 만큼, 새 기술이 등장했을 때 이를 장비·소재·양산 인프라와 곧바로 연결할 수 있는 산업 기반이 두껍다. 실제 페로브스카이트 대면적 부문에서 중국 기업이 기록을 보유해 왔고, 양산 단계에서도 속도를 내면서 ‘효율 경쟁’과 ‘생산 경쟁’을 동시에 밀어붙이는 모습이다. 유럽도 발빠르게 나서고 있다.
영국 옥스퍼드PV는 현재 25% 수준의 모듈 효율을 바탕으로 2027년 27%, 2030년 30%를 목표로 제시하고 있다. 유럽은 페로브스카이트를 단순히 실험실 효율 기록이 아니라, 실제 전력 시장에서 실리콘을 넘어설 수 있는 기술로 보고 장기 사업 계획까지 설정하고 있다.
미국은 우주 태양광에 페로브스카이트 태양전지를 활용하는 연구를 활발하게 진행중이다.
▶학·연·산 중심 R&D 활발=우리나라는 지난 2012년 박남규 성균관대학교 교수가 세계 최초로 안정적이면서 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지를 개발하면서 물꼬를 텄다. 이후 UNIST(울산과학기술원) 석상일 석좌교수, KAIST 서장원 석좌교수, 한국화학연구원 전남중 박사가 관련 연구를 주도해 나가고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 최근 효율이 빠르게 향상됐지만, 고온·고습 환경이나 장시간 빛에 노출될 경우 성능이 저하되는 문제가 걸림돌로 지적돼 왔다. 최근 KAIST 서장원 석좌교수와 전남중 한국화학연구원 박사 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지 표면 보호막의 내부 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 개발, 고효율과 장기 안정성을 동시에 구현하는 데 성공했다.
이 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 전력변환효율 25.56%라는 높은 성능을 기록했다. 또한 85℃·85% 상대습도 조건과 지속적인 광 조사 환경에서도 높은 수준의 성능을 유지해 장기 안정성이 확인됐다. 연구팀은 이 기술을 대면적 모듈 제작에도 적용해 우수한 성능을 확인했다.
서장원 KAIST 석좌교수는 “장기 내구성과 신뢰성을 확보하기 위해 대규모 데이터 기반 분석과 인공지능(AI) 모델을 활용한 연구를 함께 수행하고 있다”며 “상용화 과정에서는 성능 뿐 아니라 제조 공정의 친환경성과 경제성도 매우 중요하기 때문에, 친환경 페로브스카이트 박막 공정 개발과 함께 가격 경쟁력을 높일 수 있는 저가 전극 소재 개발에도 집중하고 있다”고 말했다.
광주과학기술원(GIST) 강홍규 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 내부 층과 층 사이의 특성을 정밀하게 제어하는 계면공학 기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 결과, A4 용지의 약 4분의 1 크기(24.8㎠) 대면적 모듈에서도 22.56%의 높은 전력 변환 효율을 기록했으며, 500시간 이상 사용 후에도 초기 성능의 약 94%를 유지하는 안정성을 보였다. 한국재료연구원(KIMS) 에너지·환경재료연구본부 임동찬, 김소연 박사 연구팀은 고습도의 공기 중에서도 안정적으로 작동하는 고내구성 유연 페로브스카이트 태양전지 소재와 공정 기술을 개발하기도 했다.
▶효율·안정성·대면적화 구현에 성패=페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 현재 실리콘 태양전지 수준의 효율과 오래 버티는 안정성, 크기를 키웠을 때도 성능을 유지할 수 있는 대면적화다.
특히 “얼마나 많이 설치하느냐”만큼이나 “어디에까지 설치할 수 있느냐”가 중요해진다. 도시에서는 건물 자체가 발전소가 되어야 하고, 전기차나 모빌리티에는 가볍고 얇은 전원이 필요하며, 실내 사물인터넷 기기에는 약한 빛에서도 작동하는 전원 기술이 요구된다.
전남중 박사는 “작은 소자에서 높은 수치를 얻는 것과 실제 제품 크기로 넓혔을 때 비슷한 성능을 내는 것은 전혀 다른 문제”라며 “면적이 커질수록 코팅을 균일하게 해야 하고, 전기가 흐르는 구조도 정교하게 짜야 하며, 미세한 결함도 전체 성능 저하로 이어질 수 있기 때문”이라고 설명했다.
연구 분야에서 더 어려운 단계는 언제나 크기를 키우는 것이다. 실험실에서 손톱보다 작은 셀로 높은 효율을 낸 기술도, 실제 제품에 가까운 넓은 면적으로 가면 성능이 떨어지는 경우가 많다. 대면적 성과는 상용화 가능성을 가늠하는 더 현실적인 시험대로 여겨진다. 지난 2023년 화학연과 KAIST 공동 연구팀은 새로운 도펀트 기술을 통해 200㎠이상 대면적 페로브스카이트 태양전지에서 18.24%의 효율을 기록했고, 안정성까지 함께 확보했다.
이어 2024년에는 화학연과 유니테스트가 공동 개발한 기술이 200㎠ 이상 대면적 셀에서 20.6%의 국제 공인 효율을 달성했다. 독일 프라운호퍼 ISE 인증을 받았고, 미국 NREL 차트에도 반영됐다. 당시 이는 중국 솔라이언이 보유하던 19.2% 기록을 넘어선 성과다.
한화솔루션 큐셀부문(한화큐셀)은 지난 2024년 페로브스카이트-실리콘 탠덤셀에서 28.6% 효율을 달성했다. 한화큐셀은 2010년대 후반부터 관련 개발을 시작, 2023년에는 충북 진천 공장에 양산을 위한 파일럿 설비를 마련했다.
전 박사는 “페로브스카이트 태양전지의 진짜 승부처는 작은 셀의 효율이 아니라, 그 효율을 그대로 유지하면서 면적을 키우는 대면적 양산화와 새로운 응용 영역으로의 확장”이라며 “소재·공정·대면적·우주까지 한 줄로 이어진 연구 트랙을 동시에 펼치고 산업계와의 협업을 통해 한국이 글로벌 페로브스카이트 산업 주도권을 확보할 수 있도록 연구개발에 매진하겠다”고 밝혔다.
구본혁 기자
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