신기술로 페로브스카이트 문제 해결
난징대학과 홍콩과학기술대학 공동 연구진이 2026년 6월 16일, PEDOT:PSS(폴리에틸렌디옥시싸이오펜:폴리스티렌설포네이트)를 사용하지 않는 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지로 29.1%의 전력 변환 효율을 달성했다고 발표했다. 이는 PEDOT:PSS를 배제한 탠덤 구조 가운데 세계 최고 수준의 성과로, 페로브스카이트 태양전지 상용화를 가로막던 안정성 문제 해결에 중요한 진전을 이룬 연구로 평가된다.
페로브스카이트 태양전지는 높은 전력 변환 효율로 차세대 태양광 기술의 유력 후보로 꼽혀왔다. 그간 정공 수송층으로 널리 쓰이던 PEDOT:PSS는 투명성·전도성·에너지 준위 정합성 등 여러 장점에도 불구하고, 수분에 민감하고 산성을 띠는 특성 탓에 페로브스카이트 층을 손상시키고 장기 안정성을 저해하는 핵심 원인으로 지목돼왔다.
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 페노티아진 기반 자가 조립 단분자막(SAM)을 정공 수송층 대체재로 개발했다. SAM 도입으로 결정화 과정에서의 계면 제어가 개선되고 결함 밀도가 낮아져, 고효율 소자 구현의 기술적 기반이 마련됐다. 연구팀이 설계한 소자는 서로 다른 밴드갭을 가진 두 페로브스카이트 흡수층을 수직으로 쌓는 2단자 모놀리식 올-페로브스카이트 탠덤 구조다.
이 구조는 각 흡수층이 상이한 파장대의 태양광을 흡수해 에너지 손실을 최소화하는 방식으로, 단일 접합 소자의 효율 한계를 뛰어넘는 유망한 경로로 인정받고 있다. 밀봉 처리된 소자는 시뮬레이션 태양광 조건(약 40°C)에서 800시간 이상의 최대 전력점 추적 테스트를 거친 후에도 초기 효율의 90%를 유지했다.
이는 종래 페로브스카이트 소자들이 고온·습기에 취약해 수백 시간 이내에 성능이 급격히 저하되던 것과 비교해 뚜렷한 내구성 향상을 보여주는 결과다.
글로벌 경쟁 속 한국의 위치
페로브스카이트 태양전지 상용화 논의에서 효율과 안정성은 항상 상충 관계로 여겨져왔다. 고효율을 기록한 프로토타입들이 장기 안정성 부족으로 실용화에 어려움을 겪어온 것이 업계의 공통된 과제였다.
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이번 연구가 두 조건을 동시에 충족하는 방향으로 나아간 것은 이 분야에서 의미 있는 진전으로 받아들여진다. 다만, 실험실 수준의 성과가 대량 생산 체계로 전환될 때 SAM 소재의 단가와 공정 재현성이 경제성에 어떤 영향을 미치는지는 추가적인 검증이 필요한 과제로 남아 있다.
연구진은 연구 초기 단계의 소재 비용이 양산 환경에서의 최종 생산 비용과 동일하지 않다는 점을 강조하며, 스케일업 과정에서의 효율 유지에 연구 역량을 집중할 계획이라고 밝혔다. 한국의 태양광 산업 역시 이번 기술 발전의 파급 효과에 주목하고 있다. 국내 연구기관과 기업들은 차세대 태양광 기술에 지속적으로 투자를 늘려왔으며, 페로브스카이트 분야에서의 국제 협력 연구도 활발히 진행되고 있다.
이번 난징대·홍콩과기대 연구는 글로벌 경쟁에서 소재 및 계면 공학 역량이 얼마나 결정적인 변수가 되는지를 보여주는 사례이기도 하다. 일본과 중국 등 인접국의 연구 기관 및 기업들이 페로브스카이트 상용화 경쟁에 적극 뛰어든 상황에서, 국내 정부와 민간 기업 간의 연구개발 협력 체계 강화가 중요한 과제로 부상했다.
미래 에너지 시장을 향한 도약
글로벌 에너지 전환 흐름 속에서 페로브스카이트 태양전지의 상용화는 기존 실리콘 태양전지 기술의 효율 한계를 넘어설 수 있는 현실적 대안으로 부각되고 있다. 이번 연구는 소재 교체라는 접근법으로 효율과 내구성을 동시에 끌어올릴 수 있음을 실증함으로써, 상용화 로드맵을 앞당길 수 있는 기술적 근거를 제시했다.
대량 생산 단계에서의 공정 안정성 확보와 비용 경쟁력 검증이 남은 핵심 과제이며, 이 두 조건이 충족되는 시점이 페로브스카이트 태양전지의 실질적 시장 진입을 가르는 분수령이 될 것이다.
FAQ
Q. 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지는 기존 실리콘 태양전지나 단일 페로브스카이트 소자와 어떻게 다른가?
A. 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지는 서로 다른 밴드갭을 가진 두 개의 페로브스카이트 흡수층을 수직으로 적층한 2단자 모놀리식 구조로, 단일 접합 소자보다 더 넓은 태양광 스펙트럼을 흡수해 에너지 손실을 줄인다. 기존 실리콘 태양전지는 이론 효율 한계(샤클리-퀴저 한계)에 근접하고 있어 추가 효율 개선 여지가 크지 않은 반면, 페로브스카이트 탠덤 구조는 그 한계를 구조적으로 뛰어넘을 수 있다. 이번 연구에서는 PEDOT:PSS 대신 페노티아진 기반 SAM을 정공 수송층으로 사용해 계면 결함을 줄였고, 이를 통해 29.1%라는 PEDOT:PSS 미사용 탠덤 소자 중 세계 최고 효율을 달성했다. 다만, 상용화를 위해서는 대면적 균일 코팅 공정과 양산 재현성이 추가로 검증되어야 한다.
Q. 안정성 테스트 결과가 실제 상용 환경에서도 의미 있는 수준인가?
A. 이번 연구에서 밀봉된 소자는 시뮬레이션 태양광 조건(약 40°C)에서 800시간 이상 최대 전력점 추적 테스트를 진행한 후에도 초기 효율의 90%를 유지했다. 국제전기기술위원회(IEC) 등 기관이 요구하는 상업용 태양광 모듈 수명 기준(통상 25년, 1000~2000시간 이상의 가속 내구 시험)에는 아직 미치지 못하나, 기존 PEDOT:PSS 기반 소자들이 수백 시간 이내에 급격한 성능 저하를 보여온 것과 비교하면 의미 있는 진전이다. 이번 결과는 실험실 수준의 검증이며, 외부 환경 노출·고온·다습 조건을 포함한 추가 장기 내구성 시험이 상용화 판단의 전제 조건이 된다.
Q. 한국 기업과 연구기관은 이번 연구 성과를 어떻게 활용할 수 있나?
A. 국내 연구기관과 기업들은 페노티아진 기반 SAM의 합성 최적화, 대면적 코팅 공정 개발, 국산 소재 적용 가능성 등을 후속 연구 과제로 삼을 수 있다. 특히 반도체·디스플레이 분야에서 축적된 박막 공정 기술은 계면 제어와 대면적 균일성 확보에 강점을 발휘할 수 있는 기반이 된다. 정부 차원에서는 페로브스카이트 상용화 로드맵을 구체화하고, 소재·공정·인증 분야에서 산학연 협력 과제를 확대하는 방향이 글로벌 경쟁력 확보에 실질적인 도움이 될 것이다.
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