[서울=뉴스핌] 오영상 기자 = 일본의 도시바와 신에츠화학공업이 니가타대학과 손잡고 기존 제품보다 내구성을 1.5배 높인 차세대 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다.

섭씨 85도, 상대습도 85%의 가혹한 환경에서 3000시간 동안 발전 성능을 유지하는 것으로 확인돼 현시점에서 세계 최고 수준의 내구성을 확보했다.

8일 니혼게이자이신문은 중국 기업들이 양산 기술을 앞세워 시장 선점에 나서는 가운데 일본 기업들이 내구성을 무기로 경쟁력 확보에 나섰다고 전했다.

도시바가 태양전지의 발전부를, 신에츠화학공업이 태양전지를 외부 환경으로부터 보호하는 밀봉 소재(봉지재)를, 니가타대가 밀봉 기술 개발을 담당했다.

현재 발전부 면적 약 25㎟의 소형 시제품으로 성능 검증을 진행하고 있으며, 앞으로 250㎠ 이상의 상용 크기에서도 같은 수준의 내구성을 확보할 수 있는지 확인할 계획이다. 최종적으로는 20년을 넘는 사용 수명을 목표로 하고 있다.

◆ 차세대 태양광 기술 '페로브스카이트'

페로브스카이트 태양전지는 특정한 결정 구조를 가진 페로브스카이트 소재를 빛을 흡수하는 발전층으로 활용하는 태양전지다. 기존 태양광 패널의 주류인 실리콘 태양전지와 비교해 얇고 가볍게 만들 수 있다는 점이 특징이다.

페로브스카이트 소재는 용액을 이용해 비교적 낮은 온도에서 발전층을 형성할 수 있어 제조 공정을 단순화하고 비용을 낮출 수 있다. 특히 얇은 필름 형태로 제작할 경우 건물 외벽이나 창문, 곡면 등 기존의 무겁고 단단한 실리콘 패널을 설치하기 어려운 장소에도 적용할 수 있다.

또 하나의 장점은 실리콘 태양전지와 결합할 수 있다는 점이다. 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 위아래로 겹치는 '탠덤형'​으로 만들면 하나의 태양전지에서 더 많은 태양광을 전기로 바꿀 수 있다.

도시바와 신에츠화학이 이번에 상용화를 추진하는 것도 실리콘과 페로브스카이트를 조합한 탠덤형이다.

탠덤형은 페로브스카이트만을 이용한 필름형보다 이론적으로 발전 효율을 약 30% 높일 수 있는 것으로 평가된다. 발전 효율을 끌어올리면서 기존 실리콘 태양전지의 생산 기반도 활용할 수 있다는 점에서 차세대 태양광 기술의 유력한 방식으로 꼽힌다.

◆ 최대 과제는 '내구성'

페로브스카이트 태양전지가 상용화되기 위해 넘어야 할 가장 큰 과제 가운데 하나가 내구성이다.

페로브스카이트 소재는 습기와 열에 노출되면 결정 구조가 변하거나 성능이 떨어지기 쉽다. 태양광 패널은 야외에서 수십 년간 사용되는 제품인 만큼 발전 효율 못지않게 장기간 성능을 유지하는 능력이 중요하다.

도시바와 신에츠화학, 니가타대는 이 문제를 해결하기 위해 태양전지 외부를 건조제를 넣은 특수 합성고무로 밀폐하는 '봉지 기술'을 개선했다. 이번 시험에서는 섭씨 85도, 상대습도 85%라는 고온·고습 조건에서도 3000시간이 지난 뒤 발전 성능을 유지했다.

기존에는 싱가포르국립대와 중국 업체 등이 발표한 2000시간 수준의 내구성이 세계 최고 수준으로 평가돼 왔다. 이번 개발은 이를 1.5배로 늘린 것이다.

◆ 중국과의 경쟁에서 '내구성'으로 승부

태양광 패널 시장에서는 중국 기업들이 세계 시장을 주도하고 있다. 중국은 실리콘 태양전지의 대규모 생산을 통해 가격 경쟁력을 확보한 데 이어 페로브스카이트 분야에서도 연구개발과 양산 기술을 축적하고 있다. 관련 특허에서도 일본을 앞서 세계 선두에 올라섰다.

일본은 가격과 생산 규모에서 중국과 정면으로 경쟁하기보다 높은 발전 효율과 내구성 등 성능을 앞세워 차별화한다는 전략이다.

경제산업성은 2040년을 목표로 원자력발전소 약 20기에 해당하는 20GW 규모의 페로브스카이트 태양전지를 국내에 도입한다는 목표를 제시했다. 특히 발전 효율이 높은 탠덤형 기술의 보급이 목표 달성의 핵심으로 꼽힌다.

일본에서는 2012년 고정가격매입제도(FIT) 도입 이후 태양광 발전이 빠르게 보급됐다. 기존 태양광 패널의 사용 수명은 대체로 20~30년 수준이어서 2030년대 이후에는 노후 설비의 교체 수요가 본격적으로 늘어날 전망이다.

도시바와 신에츠화학은 이러한 시장을 겨냥해 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤형 태양전지의 제품화를 추진한다. 현재의 소형 시제품에서 상용 크기로 기술을 확대하고 장기 내구성을 확보한 뒤 2030년대 제품 판매를 목표로 한다.

페로브스카이트 태양전지는 일본에서 탄생한 기술이지만 중국 기업들이 막대한 투자와 정부 지원을 바탕으로 빠르게 추격하고 있다. 이번 도시바·신에츠화학·니가타대의 개발은 내구성 문제에서 일본이 중국과 차별화할 수 있는 가능성을 보여준 사례로 평가된다고 니혼게이자이는 전했다.

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