국내 연구진 유연 텐덤 태양전지, 세계 최대 효율

태양광 기술은 점점 더 우리의 삶 속으로 깊이 들어오고 있다. 햇빛을 전기로 바꾸는 태양전지는 친환경 에너지의 핵심으로 자리 잡았지만, 효율과 유연성이라는 두 마리 토끼를 잡는 데는 늘 한계가 있었다. 그런데 최근 유연 텐덤 태양전지가 23.64%라는 놀라운 효율을 달성하며 새로운 가능성을 열었다. 

텐덤 태양전지란 무엇일까?

텐덤 태양전지는 서로 다른 특성을 가진 두 개 이상의 태양전지 층을 쌓아 만든 구조다. 쉽게 말해, 햇빛을 더 효율적으로 흡수하기 위해 층층이 설계된 전지라고 생각하면 된다. 일반적인 단일 태양전지는 특정 파장의 빛만 잘 흡수하는데, 텐덤 구조는 각 층이 다른 파장의 빛을 나눠 맡아 더 많은 에너지를 전기로 바꾼다. 예를 들어, 위층은 단파장의 빛을, 아래층은 장파장의 빛을 흡수하며 손실을 줄이는 방식이다.

이런 구조 덕분에 이론적으로 효율이 단일 전지보다 훨씬 높아질 수 있다. 특히 유연 텐덤 태양전지는 딱딱한 실리콘 기반 전지와 달리 휘어지는 소재를 사용해 웨어러블 기기나 곡면 건물 같은 곳에도 적용할 수 있다는 점에서 주목받는다. 이번에 23.64% 효율을 달성한 기술은 이런 텐덤 구조에 유연성을 더한 결과물로, 실용성과 성능을 동시에 잡은 사례다.

 

23.64% 효율, 어떻게 가능했나?

이번 성과는 한국화학연구원과 여러 대학 연구팀의 협력으로 이뤄졌다. 핵심은 페로브스카이트와 유기 태양전지를 결합한 하이브리드 구조다. 페로브스카이트는 최근 차세대 태양전지 소재로 떠오른 물질로, 빛 흡수율이 뛰어나고 제조 비용도 저렴하다. 여기에 유기 태양전지의 유연성과 가벼운 특성을 더해 두 소재의 장점을 극대화했다.

연구팀은 페로브스카이트 층과 유기 층 사이의 전하 이동을 최적화하기 위해 중간층 설계에 공을 들였다. 이 중간층은 두 소재가 서로 잘 맞물리도록 연결하는 다리 역할을 한다. 또, 유연성을 유지하면서도 효율을 떨어뜨리지 않기 위해 얇고 투명한 전극을 개발했다. 이런 기술적 진보가 쌓여 23.64%라는 숫자를 만들어냈다. 이는 기존 유연 태양전지의 효율을 훌쩍 뛰어넘는 수준으로, 상용화에 한 발짝 다가선 결과로 평가받는다.

 

기존 기술과 비교하면 어떤 차이가 있을까?

일반적인 실리콘 태양전지는 효율이 20% 내외로 안정적이지만, 무겁고 딱딱해서 활용 범위가 제한적이다. 반면 유연 태양전지는 휘어지는 특성 덕분에 다양한 용도로 쓰일 수 있지만, 효율이 15% 안팎에 머물며 실용화에 걸림돌이 있었다. 이번에 개발된 유연 텐덤 태양전지는 실리콘 전지에 버금가는 효율을 내면서도 유연성을 잃지 않았다는 점에서 차별화된다.

특히 페로브스카이트와 유기 소재를 결합한 점이 주효했다. 페로브스카이트는 단독으로도 25% 이상의 효율을 낼 수 있지만, 유연성을 확보하기 어렵다. 유기 태양전지는 효율이 낮은 대신 가볍고 휘어진다. 이 둘을 텐덤 구조로 묶으니 각각의 단점을 보완하며 시너지를 냈다. 23.64%라는 수치는 이런 조합이 얼마나 잘 맞아떨어졌는지 보여주는 증거다.

 

실생활에서 어떤 변화를 가져올까?

이 기술이 상용화되면 일상 곳곳에서 태양광을 만날 가능성이 커진다. 예를 들어, 옷이나 가방에 붙은 태양전지로 스마트폰을 충전하거나, 건물 창문에 얇게 붙여 전기를 생산하는 모습이 현실이 될 수 있다. 자동차 지붕이나 드론 표면처럼 곡면이 많은 곳에도 쉽게 적용할 수 있어 활용도가 높다.

에너지 효율 면에서도 큰 장점이 있다. 효율이 높아지면 같은 면적에서 더 많은 전기를 만들어낸다. 이는 태양광 설비에 필요한 공간을 줄이고, 설치 비용을 낮추는 효과로 이어진다. 특히 도심지처럼 공간이 부족한 곳에서 유연 텐덤 태양전지는 효율과 실용성을 동시에 충족하는 대안이 될 것이다.

 

앞으로의 과제와 전망

아직 넘어야 할 산도 있다. 유연 텐덤 태양전지는 효율 면에서 큰 진전을 이뤘지만, 내구성과 대량 생산 기술은 여전히 개선이 필요하다. 페로브스카이트는 습기나 열에 약한 특성이 있어 장기적인 안정성을 확보하는 게 숙제다. 또, 유연성을 유지하면서도 대면적 제조 공정을 최적화해야 상용화가 가능해진다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 롤투롤 공정 같은 대량 생산 기술을 개발 중이다. 이 공정은 신문 인쇄처럼 연속적으로 전지를 찍어내는 방식으로, 비용을 낮추고 생산 속도를 높일 수 있다. 안정성 강화를 위한 코팅 기술도 함께 연구되고 있어, 머지않아 실용화된 모습을 볼 가능성이 크다.

 

지속 가능한 미래를 위한 발판

유연 텐덤 태양전지의 효율 23.64% 달성은 단순한 기술적 성과가 아니다. 재생에너지 확대와 탄소중립이라는 큰 목표를 향한 중요한 발걸음이다. 화석연료 의존도를 줄이고, 어디서나 쉽게 전기를 만들 수 있는 기술은 환경과 경제 모두에 긍정적인 영향을 줄 것이다. 이 기술이 상용화되면 에너지 생산 방식이 더 유연하고 효율적으로 바뀔 가능성이 높다.