아미디늄을 활용한 페로브스카이트 태양전지의 실제 적용 가능성 향상

최고의 태양광 기술을 내구성 있게 만들기

대부분의 태양광 패널은 두 가지 기술에 기반합니다: 대부분을 차지하는 폴리실리콘과 박막 카드뮴 텔루라이드. 그러나 페로브스카이트라는 광물을 이용하는 세 번째 방식도 있습니다.

이는 칼슘 티타늄 산화물로 만들어졌으며, 이 기술은 지난 몇 년간 큰 진전을 이루었습니다. 2009년에 3.8%의 빛-전력 변환 효율을 보인 실험실 프로토타입에서, 그들은 도달했습니다 2024년에 설계된 33.9% LONGi Green Energy Technology.

하지만 페로브스카이트 태양광 패널은 주요 문제인: 내구성을 가지고 있습니다. 대부분의 페로브스카이트 태양전지는 몇 년밖에 지속되지 않습니다. 이는 높은 효율과 낮은 생산 비용에도 불구하고 상업적 환경에서 사용될 수 없게 하여 시스템의 수익성을 저해합니다.

따라서 폴리실리콘의 2~3십 년 내구성과 비교할 수 없을 경우, 페로브스카이트는 틈새 응용 및 실험실 프로토타입에 머무르게 되며, 이미 우리 앞에 펼쳐진 대부분의 “새로운 태양광 시대”를 놓치게 됩니다.

이 때문에 페로브스카이트 안정성을 3배 향상시키는 방법이 발표된 것은 큰 의미가 있습니다. 이는 미국 노스웨스턴 대학교, 호주 그리피스 대학교, 캐나다 토론토 대학교 연구원들이 발표했으며, 그들의 연구는 권위 있는 학술지 Science에 “리간드의 아미디네이션이 화학 및 전계 효과 패시베이션을 통해 페로브스카이트 태양전지를 안정화한다”라는 제목으로 실렸습니다.

페로브스카이트의 장점

페로브스카이트의 주요 장점은 낮은 비용과 “프린팅” 방식으로 태양전지를 만들 수 있다는 가능성입니다. 낮은 비용의 큰 요인은 실리콘과 달리 수백 도가 필요한 반면, 실온에서 생산할 수 있다는 점입니다.

페로브스카이트 전지는 유연하기도 하여 자동차 루프와 드론과 같은 새로운 적용 분야를 열어줍니다. 또한 태양광의 더 큰 부분을 흡수하여 이론적 효율을 높이는 결과를 가져옵니다, 최대 40%까지 효율을 달성할 수 있습니다.

티타늄은 비교적 풍부한 금속이어서 카드뮴 텔루라이드보다 실리콘에 대한 더 나은 대안이 됩니다. 그러나 특히 납과 같은 중금속의 누출 가능성은 해결해야 할 문제입니다.

출처: Research Gate

또한 LONGi가 개발한 것과 같은 실리콘-페로브스카이트 탠덤 셀도 순수 페로브스카이트 시스템 대신 선택지가 될 수 있음을 언급할 가치가 있습니다.

페로브스카이트의 열화 방지

일반적으로 페로브스카이트 태양전지는 효율을 높이기 위해 암모늄 기반 코팅 층을 사용합니다. 효과적이지만, 암모늄 기반 층은 열과 습기 등 환경 스트레스 하에서 분해됩니다. 이는 암모늄 분자가 고온과 물에 노출되면 분해되기 쉽기 때문입니다.

출처: Frontiers

물론 이는 비와 뜨거운 여름날을 견뎌야 하는 실제 태양광 패널 활용에 이상적이지 않습니다.

이때 연구진은 다른 종류의 질소 기반 화합물인: 아미디늄을 사용하여 해결책을 찾았습니다. 아미디늄은 아미딘에서 형성되는 이온입니다.

출처: Wikipedia

이는 기존에 페로브스카이트 자체의 안정성 향상에 초점을 맞추던 연구와는 다른 접근으로, 보호 층을 개선하려는 시도입니다.

근본적인 개선

이 새로운 접근법은 페로브스카이트 셀 위 코팅의 저항성을 향상시켰을 뿐만 아니라, 태양광 패널 전체의 내구성도 크게 높였습니다.

“새 코팅은 기존 암모늄 기반 코팅에 비해 분해에 10배 더 저항했습니다. 더욱이, 아미디늄 코팅된 셀은 셀의 T₉₀ 수명을 3배로 늘렸습니다 — 이는 가혹한 조건에 노출될 때 셀 효율이 초기값의 90%까지 떨어지는 데 걸리는 시간입니다.”
Bin Chen –  Research associate professor of chemistry at Northwestern

이전 혁신 위에 구축

이것이 이 연구팀의 첫 번째 돌파구는 아닙니다.

다른 공동 저자 팀인 Ted Sargent는 2022년에 에너지 효율과 전압 기록을 깨는 페로브스카이트 태양전지를 개발했습니다.

2023년에 그의 팀은 역구조를 가진 페로브스카이트 태양전지를 도입했으며, 이는 에너지 효율을 더욱 향상시켰습니다. 또한 페로브스카이트 필름의 결함을 최소화하기 위해 액정(Liquid Crystals)을 도입하여 장치 성능을 개선했습니다.

또한 이 연구는 학계만이 수행한 것이 아니라, 민간 기업 First Solar (FSLR )와 상무부, 국가표준기술연구소(NIST), 미국 에너지부와 같은 공공 기관들의 지원을 받았다는 점도 언급할 가치가 있습니다.

태양광 투자

태양광 에너지 생산은 두 자릿수 성장률로 지속적으로 증가하고 있으며, 경제 탈탄소화의 핵심 동력이 될 것입니다. 그러나 아직도 전 세계 전력 생산의 압도적인 대부분이 화석 연료에 의존하고 있어, 갈 길이 멀습니다.

수년에 걸쳐 이 분야는 규모의 경제가 경쟁이 치열한 환경에서 이익을 창출하는 데 핵심 요인이 되는 대기업들을 보상하도록 진화했습니다. 물론 새로운 기술은 기존 폴리실리콘 패널 제조업체에 대한 잠재적 파괴 요인입니다.

여러 중개업자를 통해 태양광 기업에 투자할 수 있으며, 여기 securities.io에서 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 기타 여러 국가의 최고의 중개업자에 대한 우리의 추천을 확인할 수 있습니다.

특정 태양광 기업을 직접 선택하는 것이 부담스럽다면, Global X Solar ETF (RAYS), Invesco Solar ETF (TAN) 또는 Global X China Clean Energy ETF (2809.HK)와 같은 ETF를 고려해볼 수 있습니다. 이는 태양광 및 청정 에너지 산업에 대한 보다 다양화된 노출을 제공할 것입니다.

또한 “투자하기 좋은 상위 10대 태양광 주식”에 관한 우리의 기사를 읽어볼 수 있습니다.

태양광 기업

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 자체 개발한 박막 광전지를 사용합니다. 카드뮴 텔루라이드 기반으로 더 높은 효율을 보이며, 비용이 낮고 대량 생산이 용이합니다. 박막 태양광 패널은 또한 더 내구성이 뛰어나 30년 후에도 원래 성능의 89%를 유지합니다.

출처: First Solar

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

First Solar의 기술적 우위와 지리적 위치가 결합되어, 서구 국가들이 중국으로부터 패널을 공급받는 것을 줄이려는 움직임의 주요 수혜자가 될 가능성이 높습니다.

이 회사는 생산 능력을 빠르게 확대하고 있으며, 현재 11GW에서 2026년까지 25GW의 정격 용량에 도달하는 것을 목표로 하고 있습니다.

여기서 논의된 연구에 참여한 점을 고려하면, 이 회사는 내구성이 충분히 향상된 페로브스카이트에도 명확히 관심을 보이고 있습니다. 투자자 프레젠테이션에서 페로브스카이트는 “2024년 4분기에 제조와 유사한 조건을 시뮬레이션하는 기술 샘플을 생산하기 위한 개발 라인이 준비될 것”이라고 언급했습니다.

First Solar는 설립 이래 누적 20억 달러를 연구개발(R&D)에 투자했습니다.

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

지금까지는 주로 카드뮴 텔루라이드 기반 박막 태양광에 집중했지만, 비실리콘 태양광 패널 제조에 대한 전문성은 페로브스카이트 분야에서도 상당한 선행 이점을 제공할 수 있습니다. 특히 이 분야의 주요 연구자들과 깊은 연계를 가지고 있다는 점을 고려하면 더욱 그렇습니다.

연구 참고문헌:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). 리간드의 아미디네이션이 화학 및 전계 효과 패시베이션을 통해 페로브스카이트 태양전지를 안정화한다. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}