페로브스카이트 태양전지의 대량 채택을 막는 요인은 무엇일까요?

페로브스카이트 태양전지의 특별한 점

페로브스카이트 태양전지는 재생 에너지 분야에서 즉각적으로 주목을 받고 있는 새로운 종류의 태양광 발전 장치입니다. 수많은 광물에서 흔히 볼 수 있는 결정 구조에서 그 이름이 유래되었습니다. 이 새로운 셀은 빛을 강력하게 흡수하여 높은 전력 변환 효율로 효과적으로 전기로 변환합니다. 많은 그룹이 기존 실리콘 태양전지와 경쟁하거나 심지어 이를 능가하는 전력 변환 효율을 입증했습니다. 이러한 태양전지의 가능성은 화학적 구성이 간단하고 재료 비용이 저렴하다는 데서 비롯됩니다.

이러한 태양전지는 새로운 접근 방식을 제공한다는 점에서 관심을 불러일으켰습니다. 페로브스카이트의 특성은 다양한 환경에서의 통합에 적합합니다. 실험실에서는 저온 용액 처리를 통해 페로브스카이트 태양전지를 성장시켰습니다. 동일한 기술로 유연한 기판에 롤투롤 인쇄를 할 수 있습니다. 이 공정은 신문을 인쇄하는 것과 유사하여 비용 효율적인 생산의 길을 열어줍니다. 대부분의 경우 이러한 셀은 딱딱한 유리가 아닌 플라스틱으로 만들 수 있습니다. 이는 건물 일체형 태양광 발전부터 휴대용 전자 제품에 이르기까지 다양한 응용 분야를 열어줍니다. 그러나 이러한 필름을 대규모로 안정적으로 생산하는 방법에 대한 과제가 남아 있습니다.

페로브스카이트 태양전지의 주요 이점

페로브스카이트 태양전지는 기존 태양전지 기술에 비해 몇 가지 고유한 장점을 가지고 있습니다.

- 높은 전력 변환 효율: 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반 전지에 필적하는 변환 효율을 보여줍니다. 일부 실험실 테스트에서 이 전지는 25%에 가까운 효율을 달성했습니다.

- 낮은 제조 비용: 생산 공정에서 용액 처리 방법과 롤투롤 기술을 사용할 수 있습니다. 이 공정을 사용하면 고온 실리콘 제조에 비해 에너지 소비와 재료 낭비를 줄일 수 있습니다.

- 유연하고 가벼운 디자인: 얇고 유연한 층으로 건축 자재 및 휴대용 전자제품에 포함하기에 적합합니다. 페로브스카이트 층은 이미 창문과 곡면에서 테스트되어 여러 가지 독특한 조건에 얼마나 쉽게 적응할 수 있는지를 보여줍니다.

- 높은 흡수율과 조정 가능한 밴드갭 특성: 페로브스카이트 소재는 광범위한 태양광 스펙트럼을 흡수하도록 쉽게 설계할 수 있습니다. 다양한 조명 조건에서 성능을 향상시킵니다.

이러한 장점으로 인해 페로브스카이트 태양전지는 연구자, 투자자, 산업계의 주목을 받고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지는 기존의 태양전지 기술로는 따라올 수 없는 이점을 제공합니다. 생산 비용을 절감하고 다양한 시나리오에 전지를 적용할 수 있다는 점에서 잠재적 영향력이 매우 큽니다.

페로브스카이트 태양전지 확장의 주요 과제

페로브스카이트 태양전지의 유망한 장점에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지를 대량 생산으로 확장하는 데는 여러 가지 과제가 있습니다.

- 안정성과 내구성: 가장 많이 논의되는 과제 중 하나는 환경적 스트레스를 받으면 페로브스카이트 태양전지의 성능이 저하된다는 것입니다. 습기, 고온, 자외선 등으로 인해 수명이 단축되는 경향이 있습니다. 이러한 열화 문제는 성숙한 생산 수준에 도달하지 못한 많은 민감한 소재에서 발생하는 문제와 유사합니다.

- 납 독성: 대부분의 페로브스카이트 태양전지에는 납이 포함되어 있습니다. 이는 환경 문제로 이어지며 납이 생태계로 누출될 경우 위험을 초래할 수 있습니다. 납 사용의 의미는 전지의 생산, 작동 및 최종 재활용에 있어 각별한 주의가 필요하다는 것을 의미합니다.

- 재현성 및 균일성: 동일한 품질의 대면적 페로브스카이트 필름을 만드는 것은 어려운 일입니다. 실험실에서는 더 작은 소자가 매우 유망한 결과를 보여줍니다. 그러나 연구자들이 더 크고 균일한 필름을 제조하려고 할 때 일반적으로 결함이 발생하고 성능에 차이가 있습니다.

- 제조상의 어려움: 페로브스카이트 태양전지를 기존 제조 라인에 통합하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 실험실에서 실행 가능한 새로운 절차를 산업 생산에 맞게 조정해야 합니다. 대규모에서 일관된 성능을 유지하는 것은 제조업체에게 여전히 큰 과제입니다.

이러한 과제는 페로브스카이트 태양전지가 유망하지만 아직 상업적으로 널리 보급되지 못한 이유를 설명합니다. 이러한 각 사항들은 기술이 실험실을 떠나기 전에 진지한 연구와 테스트가 필요합니다.

기술 및 상업적 장벽

대중적인 시장 채택으로 가는 길은 기술적, 시장적 과제로 가득 차 있습니다.

- 장기적인 운영 안정성에 대한 제한적인 진전: 실험실의 단기적인 성능은 인상적이지만, 실제 설치에서는 태양전지가 수십 년 동안 효과적으로 작동해야 합니다. 장기적인 안정성을 보장하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많이 남아 있습니다.

- 대면적 장치에 대한 솔루션 처리의 확장 문제: 소규모 수준에서 높은 효율을 제공하는 공정은 훨씬 더 큰 패널로 쉽게 확장할 수 없습니다. 이러한 격차는 대규모 생산에 투자하려는 기업에게 가장 큰 장벽 중 하나입니다.

- 대규모 생산 비용과 성능의 트레이드 오프: 생산 비용과 성능을 비교해야 합니다. 실제로 안정성과 효율성을 개선하려면 비용이 더 많이 들 수 있습니다. 이는 기존 기술에 비해 셀이 경쟁력을 갖출 수 있는 중요한 균형입니다.

- 상용화를 위한 인프라 부족: 아직 이러한 새로운 태양 전지를 위한 공급망이나 생산 시설이 완전히 개발되지 않았습니다. 이러한 격차는 태양전지가 기존 태양광 시장에 통합되는 속도에 영향을 미칩니다. 업계와 투자자들은 기술 성숙도에 대한 보다 확실한 실증을 기다리고 있습니다.

학계와 업계 모두 페로브스카이트 태양전지의 상용화 과정에 신중을 기하는 이유가 바로 이러한 도전 과제에 있습니다. 점진적으로 진행되어야 하며, 각 과제를 신중하게 관리하여 기술에 대한 신뢰를 구축해야 합니다.

잠재적인 솔루션과 발전

페로브스카이트 태양전지가 직면한 스케일업 문제에 대한 단일한 해답은 없습니다. 연구자들은 이러한 문제를 극복하기 위해 다양한 개선책을 모색하고 있습니다.

페로브스카이트 층을 수분과 온도에 강하도록 캡슐화 및 첨가제와 같은 다양한 기술이 구현되었습니다. 예를 들어, 보호 필름은 환경 스트레스로부터 활성층을 보호할 수 있습니다.

- 납 기반 페로브스카이트의 무독성 대안: 납을 독성이 적은 원소로 대체하는 작업이 진행 중입니다. 초기 단계의 후보들은 주석이나 다른 금속을 사용합니다. 일반적으로 이러한 2세대 대안은 높은 효율을 유지하면서 환경 위험을 크게 줄여야 합니다.

- 인쇄 기술 및 확장 가능한 제조 기술의 발전: 새로운 인쇄 방법과 롤투롤 공정이 개선되고 있습니다. 여러 파일럿 라인에서 일관된 성능으로 대면적 디바이스를 인쇄하는 것이 가능하다는 것이 입증되었습니다.

- 하이브리드 페로브스카이트와 탠덤 태양 전지: 페로브스카이트를 다른 재료와 함께 사용하면 안정성과 더 높은 성능을 모두 제공할 수 있는 잠재력이 있습니다. 일부 프로토타입 장치는 이미 서로 다른 재료의 특징을 결합하는 레이어드 접근 방식을 통해 이를 달성할 수 있음을 보여줍니다.

페로브스카이트 태양전지는 새로운 연구를 통해 기술 및 상업적 기준을 모두 충족하는 데 한 걸음 더 다가서고 있으며, 연구는 꾸준히 진행되고 있습니다. 이 작업은 안전과 비용에 대한 고려와 혁신의 균형을 맞추면서 지식이 풍부하고 신중하게 이루어지고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지에 대한 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 확인하세요.

자주 묻는 질문

F: 페로브스카이트 태양전지의 주요 장점은 무엇인가요?

고효율과 저비용이라는 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 응용 분야를 찾고 있습니다.

F: 생산 규모를 확대하는 데 있어 가장 큰 과제는 무엇인가요?

대면적 제조에서 장기적인 안정성과 균일성을 보장하는 것이 여전히 중요한 과제 중 하나입니다.

F: 페로브스카이트 셀의 납 독성을 줄일 수 있는 방법이 있나요?

Q: 예, 환경적 위험을 처리하기 위해 무독성 대체 물질과 안정화 기술에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

참조:

[1] Mahapatra, Apurba & Prochowicz, Daniel & Tavakoli, Mohammad & Trivedi, Suverna & Kumar, Pawan & Yadav, Pankaj. (2019). 페로브스카이트 태양 전지의 첨가제 엔지니어링 측면에 대한 검토. 재료 화학 저널 A. 8. 10.1039/C9TA07657C.