기후변화와 에너지 위기 시대, 재생에너지 분야에서 혁명적 기술이 등장했습니다. 성균관대 박남규 교수가 선도하는 페로브스카이트 태양전지 연구는 기존 실리콘 태양전지의 한계를 뛰어넘어 최대 80%의 효율을 구현할 수 있는 가능성을 제시합니다. 전 세계 상위 1% 연구자이자 노벨상 유력 후보로 거론되는 박남규 교수의 연구는 단순한 학문적 성과를 넘어 인류의 에너지 패러다임을 근본적으로 전환할 수 있는 실용 기술로 평가받고 있습니다.
페로브스카이트 태양전지, 효율 80%의 비밀
페로브스카이트 태양전지가 주목받는 가장 큰 이유는 압도적인 에너지 변환 효율입니다. 기존 실리콘 태양전지가 26~27% 수준의 효율을 보이는 반면, 페로브스카이트는 현재 27.3%를 달성했으며 이론적으로 단일 접합 구조에서 33%까지 도달할 수 있습니다. 더 놀라운 점은 텐덤 구조입니다. 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트를 수직 직렬로 연결하는 텐덤 구조는 마치 1.5V 건전지를 직렬 연결해 3V를 만드는 원리와 같습니다. 현재 이 텐덤 구조는 이미 35%의 효율을 달성했고, 다중 접합 구조로 발전하면 이론상 80%까지 가능하다는 것이 박남규 교수의 설명입니다.
페로브스카이트 물질 자체의 특성도 탁월합니다. 1837년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정 구조를 가진 이 물질은 처음 제작할 때도 10%의 효율을 보였고, 조금만 다듬으니 20%를 넘었습니다. 박 교수는 이를 "손만 조금만 손질해 주니까 본모습을 보이면서 확 올라갔다"라고 표현했습니다. 실리콘 태양전지가 페로브스카이트를 만난 것은 "해리가 샐리를 만났을 때"처럼 완벽한 조합입니다. 실리콘이 다른 물질로는 효율 향상이 어려웠지만 페로브스카이트를 만나면서 폭발적인 성능 개선을 이뤘기 때문입니다.
박남규 교수팀이 2012년 발표한 고체 페로브스카이트 태양전지 논문은 9,300회 이상 인용되며 이 분야의 시조 격 연구로 평가받습니다. 액체 전해질을 사용하던 페로브스카이트는 물에 녹는 치명적 약점이 있었습니다. 박 교수는 고체 홀 전도체를 사용해 이 문제를 해결했습니다. 나노 입자 TiO2의 미세한 구멍에 끈적한 고체 홀 전도체를 침투시키는 기술은 화분에 요구르트 대신 물을 넣어야 아래까지 스며들듯, 섬세한 공정 기술을 요구했습니다. 이 돌파구로 페로브스카이트는 실용화 가능한 '프랙티컬 페로브스카이트 솔라셀'이 되었고, 2013년부터 관련 논문이 폭발적으로 증가해 네이처, 사이언스의 단골 주제가 되었습니다.
상용화 임박, 2~3년 내 대량생산 현실화
페로브스카이트 태양전지의 상용화는 먼 미래가 아닙니다. 박남규 교수는 "우리나라 기업도 내년에 상용화를 한다"며 한화설루션 등 국내외 기업들이 적극적으로 양산 준비에 나섰다고 밝혔습니다. 유럽, 중국, 미국의 여러 스타트업과 대기업들도 페로브스카이트 태양전지 양산 계획을 발표했습니다. 실험실 단계가 아니라 기업들이 실제 투자하고 생산 라인을 구축하는 단계에 진입했다는 의미입니다.
경제성 측면에서도 페로브스카이트는 혁명적입니다. 실리콘 태양전지는 제작 과정에서 높은 온도와 복잡한 공정이 필요해 1년간 많은 에너지와 비용이 소요됩니다. 반면 페로브스카이트는 낮은 온도에서 간단한 공정으로 제작 가능하며, 두께도 0.7에서 0.8 마이크로미터로 실리콘의 300 마이크로미터 대비 수백 배 얇습니다. 논문 분석 결과 페로브스카이트 태양전지 가격은 현재 실리콘 태양전지의 절반 수준이거나 그보다 낮을 것으로 예측됩니다. 효율은 두 배 가까이 높으면서 가격은 절반이라는 것은 비용 대비 효율이 네 배 향상되는 셈입니다.
플렉시블 특성도 상용화의 핵심 장점입니다. 얇고 유연한 페로브스카이트는 플라스틱 기판에 코팅해 구부릴 수 있는 태양전지를 만들 수 있습니다. 박 교수는 "항공우주, 인공위성 분야에 특히 유용하다"라고 설명합니다. 무거운 실리콘 태양전지판 대신 가벼운 페로브스카이트를 접어서 실으면 같은 무게로 훨씬 많은 발전 용량을 우주로 보낼 수 있습니다. 양산에 페로브스카이트를 부착해 휴대폰을 무선 충전하거나, 스마트폰 자체에 통합하는 아이디어도 특허 가능성이 있는 현실적 시나리오입니다. 대량 생산이 시작되면 가격은 더욱 하락할 것이며, 2, 3년 내 우리 일상에서 페로브스카이트 태양전지를 접하게 될 가능성이 높습니다.
화석연료 대체 가능성과 에너지 패러다임 전환
페로브스카이트 태양전지가 궁극적으로 화석연료를 완전히 대체할 수 있을까요? 박남규 교수는 "결코 불가능한 일이 아니다"라고 단언합니다. 실제로 몇 년 전 포르투갈은 화석연료 없이 100% 재생에너지만으로 국가를 운영한 사례가 있습니다. 효율 80%까지 도달 가능한 페로브스카이트 기술이 상용화되면, 태양광 발전이 주 에너지원이 되는 시대가 현실화될 수 있습니다.
다만 태양광 에너지의 변동성 문제는 여전히 해결 과제입니다. 밤에는 발전이 불가능하고 날씨에 따라 전력량이 달라지기 때문에, 안정적 전력 공급을 위해서는 에너지 저장 기술이 필수적으로 동반되어야 합니다. 박 교수는 "저장 기술과 함께 발전해야 태양전지가 온전하게 역할할 수 있다"라고 강조합니다. 배터리, ESS(에너지저장시스템) 등 저장 기술도 빠르게 발전하고 있어, 페로브스카이트 태양전지와 결합하면 시너지 효과가 클 것입니다.
박 교수의 연구 철학은 "인류 사회에 좋은 영향을 끼치는 연구"입니다. 초전도체 연구로 시작했지만 우연히 페로브스카이트를 접하고, 2007년 일본 미야사카 교수의 2% 효율 발표를 보고 가능성을 발견했습니다. 당시 다른 청중들이 무관심할 때 박 교수만이 "괜찮은 물질"이라 직감했고, 액체형의 한계를 극복해 고체형 페로브스카이트 태양전지를 세계 최초로 개발했습니다. 그는 "좋아서 연구하는 것도 좋지만, 인류에게 유용할 연구 주제를 선택하는 것이 중요하다"며 노벨상은 결국 인류에 공헌한 연구에 주어진다고 말합니다.
현재 박 교수는 페로브스카이트를 넘어 차세대 물질 설계와 실리콘 반도체를 대체할 새로운 물질 연구도 진행 중입니다. AI 시대에 더욱 중요해질 반도체 분야에서 "실리콘보다 더 강력한 물질"을 만들겠다는 목표입니다. 세상에 없는 새로운 것을 창조하는 즐거움, 전 세계에서 나만 아는 사실에 느끼는 전율, 그리고 다른 연구자들과의 경쟁 속에서 속도를 내는 긴장감이 그를 계속 연구하게 만듭니다.
[결론]
페로브스카이트 태양전지는 효율 80% 가능성, 2~3년 내 상용화 임박, 화석연료 대체 가능성이라는 세 가지 측면에서 에너지 혁명을 예고합니다. 박남규 교수의 고체 페로브스카이트 개발은 안정성 확보라는 위대한 돌파구였으며, 실리콘과의 텐덤 구조는 폭발적 효율 상승을 현실화했습니다. 경량·소형화로 우주항공, 스마트폰 등 다양한 분야 적용이 기대되고, 경제성도 탁월합니다. 저장 기술과 결합된다면 화석연료 의존에서 벗어나는 지속가능한 미래가 머지않았습니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=lAEf_cCXeE4&t=171s