AI가 페로브스카이트 안정성을 확보하여 박막 태양광을 혁신하다

실리콘에서 박막으로

우리의 기사 “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”에서 우리는 태양 에너지의 부상이 장기적으로 우리의 에너지 공급에 혁명을 일으키고 있음을 설명했습니다.

현재까지 약 90%의 태양광 패널이 실리콘 기반 기술로 제작되며, 대부분이 폴리실리콘 설계를 사용하고 있습니다. 이는 이전의 단일실리콘 설계를 대체했으며(단결정 실리콘은 더 내구성이 높지만 비용 효율성은 낮음).

출처: EIA

대안으로는 페로브스카이트가 있으며, 종종 박막 태양전지라고도 불리는데, 페로브스카이트의 독특한 결정 구조 덕분에 태양 에너지를 포착합니다. (다른 형태의 박막 태양광 기술은 카드뮴 텔루라이드 박막 셀을 사용합니다.)

‘박막’이라는 용어는 전기를 생산하는 데 필요한 물질 층이 훨씬 얇아 유연하고 가벼운 태양전지를 만들 수 있다는 데서 유래했습니다.

자연적으로 존재하는 페로브스카이트는 칼슘과 티타늄 산화물(CaTiO3)로 구성되지만, 다른 광물도 “ABX3” 규칙을 따르는 화학식으로 동일한 결정 구조를 가질 수 있습니다.

에너지 변환 효율이 매우 높지만, 페로브스카이트는 실리콘 태양전지보다 내구성이 낮아 실용적인 사용과 상업적 채택에 제약이 있었습니다.

스웨덴 챌머스 공과대학과 영국 버밍엄 대학의 연구원들은 머신러닝을 활용해 페로브스카이트 결정 구조에 대한 이론적 지식의 누락된 부분을 밝히고, 이를 더 내구성 있게 만들 수 있는 길을 열어 상업용 광전 기술의 차세대가 될 가능성을 제시했습니다.

그들은 그 결과를 Journal of the American Chemical Society¹에 발표했으며, 제목은 “Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential”입니다.

포르마디늄 페로브스카이트 안정성

연구원들은 포르마디늄 요오드화 납(FAPbI3)이라는 물질을 사용했습니다. 이는 향후 태양전지 기술에 유망한 특성으로 할라이드 페로브스카이트 그룹 중 가장 성능이 뛰어난 물질 중 하나로 간주됩니다.

하지만 이 물질은 햇빛 아래에서 상업적 적용에 충분히 안정적이지 않으며, 그 이유 중 하나는 포르마디늄 요오드화 납의 저온 상이 아직까지 충분히 이해되지 않았기 때문입니다.

“이 물질의 저온 상은 오랫동안 연구 퍼즐의 누락된 조각이었으며, 우리는 이제 이 상의 구조에 대한 근본적인 질문을 해결했습니다.”
Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

고급 AI 모델링

실험적 관찰만으로는 FAPbI3 결정 구조를 이해하기에 충분하지 않았습니다. 원자를 하나씩 계산하고 시뮬레이션하려는 전통적인 컴퓨터 시뮬레이션은 강력한 슈퍼컴퓨터와 긴 시뮬레이션 시간이 필요합니다.

대신 연구원들은 머신러닝 전문성을 활용해 컴퓨터 시뮬레이션 효율성을 크게 향상시켰습니다.

“표준 방법에 머신러닝을 결합함으로써 우리는 이제 이전보다 수천 배 더 긴 시뮬레이션을 실행할 수 있게 되었습니다.

그리고 우리의 모델은 이제 수백 개가 아니라 수백만 개의 원자를 포함할 수 있어 실제 세계에 더 가깝게 됩니다.

”
Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

FAPbI3의 결정 상 전이

온도에 따라 FAPbI3는 서로 다른 결정 구조를 가집니다: 300K(27°C / 80°F)에서 입방체, 285K(12°C / 53°F) 이하에서 사방정계, 140K(-133°C / -207°F)에서는 아직 알려지지 않음.

출처: Journal of the American Chemical Society

그들은 시뮬레이션이 물질을 냉각했을 때 반안정 상태에 놓일 수 있음을 예측한다는 것을 발견했습니다.

그들은 실제로 -200°C / -328°F에서 테스트하여 시뮬레이션이 특히 아직 검증되지 않은 이 조건에서 페로브스카이트 결정의 거동을 정확히 예측함을 확인했습니다.

모델은 탄소 원자의 움직임에 대해 거의 완벽한 예측을 제공했고, 질소 원자에 대해서도 충분히 정확한 예측을 수행했습니다.

출처: Journal of the American Chemical Society

AI 기반 페로브스카이트 연구의 적용

이 모델은 이 페로브스카이트 물질의 모든 결정 구조를 높은 정확도로 예측한 최초의 모델입니다. 또한 계산 요구량이 크게 낮아 전 세계 거의 모든 연구팀이 사용할 수 있습니다. 따라서 이 기술의 발전을 크게 가속화할 수 있습니다.

결정 구조와 그 안정성은 페로브스카이트를 더 내구성 있게 만들기 위한 핵심이며, 상업적 실현 가능성을 높이는 데에도 중요합니다.

“우리는 시뮬레이션을 통해 얻은 통찰이 향후 복잡한 할라이드 페로브스카이트 물질을 모델링하고 분석하는 방법에 기여하기를 바랍니다,”
Erik Fransson – Chalmers University Of Technology

박막 태양광은 더 유연하여 전통적인 태양광 패널보다 훨씬 다양한 상황에 적용될 수 있습니다. 또한 무게가 훨씬 가볍습니다.

따라서 페로브스카이트가 상업적으로 사용될 수 있다면, 우리는 건물 표면에 사용을 시작할 수 있으며, 대규모 태양광 농지에 토지를 할당할 필요 없이 풍부한 에너지를 제공할 수 있습니다.

아미디늄은 이 기술에 적합한 방향으로 보이며, 다른 보고서에서도 아미디늄 보호 코팅이 박막 태양전지의 수명을 크게 증가시킬 수 있다고 나타났습니다. 알루미나 나노입자도 페로브스카이트 태양전지 수명을 10배 늘릴 수 있습니다.

아마도 이러한 기술들을 조합하여 초내구성 박막 페로브스카이트 태양전지가 탄생할 것입니다.

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태양광 혁신에 투자하기

First Solar, Inc.

First Solar는 미국 및 서반구 전체에서 가장 큰 태양광 패널 제조업체이며, 미국, 말레이시아, 베트남에 제조 시설을 보유하고 있습니다.

이 회사는 기존의 결정질 실리콘 기술을 사용하지 않고 대신 자체 독점 박막 광전지를 사용합니다.

카드뮴 텔루라이드 기반으로, 이들은 효율이 높고 비용이 낮으며 대량 생산이 용이합니다.

출처: Department Of Energy

카드뮴 텔루라이드 박막 태양광 패널은 또한 더 내구성이 높아 30년 후에도 원래 성능의 89%를 유지합니다.

출처: First Solar

카드뮴과 텔루라이드는 다른 금속 채굴의 부산물로, First Solar 제품은 이전에 거의 사용되지 않았던 자원을 활용함으로써 환경 영향을 최소화합니다. 박막 패널은 또한 높은 재활용률을 가질 수 있습니다.

회사는 박막 반도체 기술에 집중함으로써 완전한 수직 통합이 가능해져 실리콘 기반 태양광 패널 산업과 근본적으로 차별화됩니다.

다수의 공장과 폴리실리콘 정제와 같은 각 단계별 전문 업체가 필요하고 태양전지 생산에 며칠이 걸리는 대신, First Solar는 원료에서 완제품까지 4시간 이내에 생산할 수 있습니다.

출처: First Solar

First Solar의 기술적 우위와 지리적 위치는 서구 국가들이 중국 외부에서 패널을 조달하려는 움직임이 커짐에 따라 혜택을 받을 가능성을 높입니다.

회사는 생산 능력을 빠르게 확대하고 있으며, 현재 11GW에서 2026년까지 25GW 정격 용량을 목표로 하고 있습니다.

First Solar는 설립 이래 누적 20억 달러를 연구개발에 투자했습니다. First Solar의 R&D 팀은 2030년까지 박막 CdTe 셀 효율을 25%로, 28% 효율로 가는 경로를 예측하고 있습니다.

이와 같은 연구에 참여하고 있는 점을 고려하면, 회사는 이러한 패널이 충분히 내구성을 갖추는 즉시 페로브스카이트에도 명백히 관심을 가지고 있습니다.

장기적으로 First Solar는 카드뮴 텔루라이드 박막에 대한 경험을 페로브스카이트 기술과 통합하여, 결과적인 태양광 패널의 효율을 더욱 높이고자 합니다.

출처: First Solar

전반적으로 First Solar는 중국 수입 관세로부터 혜택을 받을 기술 리더이며, 이는 트럼프 재선으로 인한 태양광 산업의 부정적 영향을 보완할 가능성이 있습니다.

현재는 카드뮴 텔루라이드 기반 박막 태양광에 주력하고 있지만, 비실리콘 태양전지 제조에 대한 전문성은 특히 이 분야의 주요 연구자들과 깊은 연계가 있기 때문에 페로브스카이트 분야에서 큰 선두를 점할 수 있습니다.

(또한 회사 전용 투자 보고서에서 First Solar에 대한 추가 정보를 읽을 수 있습니다)

최신 First Solar (FSLR) 주식 뉴스 및 개발 현황

참조 연구

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. 페로브스카이트 FAPbI3의 저온 상을 머신러닝 잠재력으로 밝히다.Journal of the American Chemical Society. 2025년 8월 14일. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}