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[IT뉴스]종이보다 얇고 우주방사선에 내성…머스크도 꽂힌 3세대 태양전지

온카뱅크관리자

2026-04-22 18:17:31

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> [KAIST 페로브스카이트 태양전지 연구실 가보니] ‘페로브스카이트 구조’ 가볍고 유연 실리콘 전지보다 우주로 수송 쉬워 액상 코팅 설계…고온·고습에 거뜬 이온결합으로 손상땐 회복 등 가능 로켓발사·우주서 열사이클 대응 등 효율·안정성 강화는 중장기적 목표 
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 <img alt="대전광역시 유성구 소재 한국과학기술원(KAIST)에서 페로브스카이트 태양전지가 자연 태양광 환경을 구현한 장비인 ‘솔라 시뮬레이터’에 올려져 성능 및 내구성 측정을 진행하고 있다. 사진=장형임 기자" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202604/22/seouleconomy/20260422181148493tzcb.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="UlSzb0cnvg" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img3.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202604/22/seouleconomy/20260422181148493tzcb.jpg" width="658">
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 대전광역시 유성구 소재 한국과학기술원(KAIST)에서 페로브스카이트 태양전지가 자연 태양광 환경을 구현한 장비인 ‘솔라 시뮬레이터’에 올려져 성능 및 내구성 측정을 진행하고 있다. 사진=장형임 기자
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 “페로브스카이트 태양전지 개발 초기에는 ‘광전변환 효율을 이전 연구보다 몇 %나 획기적으로 높였느냐’가 성과 판단의 기준이었습니다. 하지만 효율 제고가 이론적 한계에 근접한 현재에 이르러서는 우주에서의 실사용 등 ‘안정성’에 대한 연구가 훨씬 중요해졌죠.”
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 서장원(사진) 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수는 이달 3일 대전 유성구 KAIST 연구실에서 진행한 서울경제신문 인터뷰에서 ‘3세대 태양전지’라 불리는 페로브스카이트 태양전지 기술에 대한 관심이 그 어느 때보다 높다고 말했다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 대신 ‘페로브스카이트 구조’를 갖는 반도체 물질을 빛 흡수층으로 사용하는 태양전지다. 기존 실리콘 태양전지보다 훨씬 얇고 유연하며 에너지 변환 효율도 우수하다. 
 특히 일론 머스크가 이끄는 우주 기업 스페이스X의 기업공개(IPO)를 앞두고 머스크가 페로브스카이트 소재를 “우주 태양광의 핵심”이라고 언급하면서 재차 세간의 관심이 커지고 있다. 태양광 기반 우주 데이터센터를 건설하겠다는 스페이스X의 사업 구상과 미중 우주 경쟁이 맞물려 ‘우주 제조업 슈퍼사이클’에 대한 기대감이 커지는 가운데 지구 밖 극한 환경에서도 장기간 성능을 유지할 수 있도록 페로브스카이트 태양전지 기술 고도화의 중요성이 높아지고 있다.
 서 교수의 연구실에서는 새로운 설계 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지 제작 및 성능 검증 절차가 한창 진행되고 있었다. 3차원(3D) 페로브스카이트 결정이 형성된 한 변 2.5㎝ 길이의 정사각형 기판을 빠르게 회전하는 ‘스핀 코터’ 위에 올린 뒤 반투명한 노란색 페로브스카이트 전구체 용액을 한 방울 떨어뜨리자 원심력에 의해 용액이 곧바로 판 전체에 덧입혀졌다. 이어 100도가 넘는 핫플레이트에 기판을 내려놓자 용액은 순식간에 2차원(2D) 코팅막으로 자리 잡았다. 이 코팅막은 빛 흡수층을 보호해 페로브스카이트 태양전지의 취약점인 고온·고습 환경이나 빛에 장기간 노출되더라도 효율이 떨어지는 것을 막는 역할을 한다. 
 서 교수는 “이 보호막이 바로 기존 연구와의 차별점”이라고 설명했다. 이전까지는 2D 보호막이 러들스덴-포퍼(RP) 구조로 형성돼 시간이 지나거나 고온인 경우 쉽게 변형되는 문제가 있었다. 이에 연구진은 한국화학연구원과의 공동 연구 과정에서 디온-재콥슨(DJ) 구조를 도입해 페로브스카이트층 구조를 더욱 견고하게 했다. RP 구조는 보호막 층 사이의 결합이 상대적으로 약한 반면 DJ 구조는 양방향에서 층을 꽉 잡아주는 ‘다리’ 역할을 하는 유기 분자를 사용해 열과 충격에 훨씬 강하다. 이 설계 전략을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 광전변환 효율 25.56%라는 높은 성능을 기록했다. 단일 접합 페로브스카이트 태양전지의 이론적 한계는 30% 초반이다. 
 보호막 설계 기술처럼 페로브스카이트 태양전지 자체의 내구성을 끌어올리는 기술은 우주 태양광 사업에 필수적이다. 현재 지상 산업 기준으로 가장 각광받는 태양전지는 실리콘과 페로브스카이트를 접합한 ‘탠덤 전지(서로 다른 두 종류 이상의 태양전지를 겹쳐 만든 전지)’ 형태다. 실리콘과 페로브스카이트가 각각 다른 태양광 파장을 흡수한다는 점을 이용한 덕분에 이론상 한계 효율은 44%에 달한다. 국내 태양광 모듈 산업의 선두 주자인 한화솔루션 큐셀부문(한화큐셀) 역시 2029년 상용화를 목표로 실리콘-페로브스카이트 탠덤 셀 연구개발(R&amp;D)에 박차를 가하고 있다.
 하지만 우주로 가면 이야기가 달라진다. 서 교수는 “실리콘 결정은 원자들 간 공유결합 형태라 단단하지만 그만큼 수송하기 무겁고 우주 방사선에 대한 내성이 약한 반면 페로브스카이트는 이온결합으로 유연한 결정 구조를 이룬 덕분에 우주 방사선에 노출돼 내부 결함이 발생하더라도 손상 부위가 재배열되거나 회복되는 특성을 갖는 것으로 알려졌다”고 설명했다. 그러면서 “결국 ‘우주용’으로는 실리콘보다는 페로브스카이트 간의 접합이나 페로브스카이트-CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레늄 화합물 반도체) 탠덤 전지가 더욱 적합한 것”이라고 덧붙였다. 차세대 모빌리티 등에서의 빠른 상용화를 위해 실리콘-페로브스카이트 탠덤 전지 양산을 추진하는 한편 우주 활용을 위한 기술 고도화도 병행돼야 하는 이유다.
 남은 과제는 가혹한 우주 환경 대응력을 더욱 높이는 것이다. 방사선 내구성이 비교적 강할지언정 여전히 로켓 발사 과정에서의 강력한 충격, 극한의 고온과 저온을 오가며 나타나는 수축·팽창 현상을 버텨야 하기 때문이다. 서 교수는 “지상에서는 대략 영하 40도에서 영상 85도 사이 변동을 전제하는 반면 우주 열사이클은 영하 100도 이하에서 영상 100도 이상에 달해 ‘서멀 쇼크(thermal shock)’가 훨씬 강력하다”며 “DJ 구조 보호막에 기반해 더욱 효율과 안정성을 높이기 위한 추가적인 핵심 요소 기술을 개발하는 것이 중장기적 목표”라고 전했다.
 장형임 기자 jang@sedaily.com
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