신재생에너지 분야에서 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell, PSC)가 새롭게 주목받고 있다. 일반인에게는 무척 생소한 이름이지만 우리나라 연구팀의 연구 실적은 이미 세계적인 수준을 선도하는 분야의 하나다. 

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 결정구조를 가진 금속 산화물로 1839년 러시아 우랄산맥에서 처음 발견되었으며, 러시아 광물학자 페로브스키(Perovski)의 이름을 따서 회티타늄석(CaTiO3)이라고도 불린다.

쉽게 설명하자면, 페로브스카이트는 화학식 RMX3으로 나타내는 6면체의 결정구조다. 여기서 R과 M은 양이온, X는 음이온인데, 화학적으로 여러 가지 페로브스카이트 결정의 합성이 가능하다. 이러한 결정구조는 전압을 걸면 중심 원자가 쏠리게 되어 유전율(誘電率)이 높아지기 때문에 실리콘계 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 소재로 떠올랐다. 

2009년 처음 개발된 페로브스카이트 태양전지는 효율이 3% 정도였지만 2012년 10%를 돌파함으로써 연구자들의 관심을 끌기 시작했다. 2014년 미국 캘리포니아대학 연구팀이 효율을 19.3%까지 끌어올렸고, 2015년 한국화학연구소가 20.1%를 달성했다. 이론상 30%까지 가능하므로 연구자들은 실제 제작 가능성을 고려해 앞으로 1년 이내에 효율 25%를 목표로 삼고 있다. 

효율 25%란 태양에너지를 100으로 볼 때 25만큼의 에너지를 전기로 바꿀 수 있다는 의미다. 현재 주로 쓰이는 실리콘계 태양전지의 효율이 17~23% 정도라는 점을 생각하면 페로브스카이트 태양전지는 수년 만에 반세기의 역사를 가진 실리콘계 태양전지(1954년 벨연구소가 개발)를 능가하는 경이적인 역사를 쓴 셈이다.

현재 가장 흔히 쓰이는 판형 결정질 실리콘을 사용하는 태양전지는 반도체와 마찬가지로 많은 에너지와 방대한 시설 등 생산비용이 많이 든다. 반면에 페로브스카이트는 염료감응형으로 유리 기판에 산화물 나노입자를 쌓고 유기염료 용액에 담가 만든다. 용액을 기판에 도포하는 방식을 쓰면 인쇄와 마찬가지로 높은 생산성과 낮은 원가로 대량생산이 가능해진다.  

특히 고분자태양전지는 플라스틱 기판을 쓰기 때문에 가볍고 투명하다. 아주 얇게 만들 수 있고, 휘어지도록 만드는 것도 가능하다. 건물의 창문이나 자동차 유리에 붙여 손쉽게 태양광발전 설비를 할 수 있다. 이 방식은 플렉서블 디스플레이 기술에도 적용된 바 있다. 

단점도 지적된다. 효율을 높이기 위해서 중심 원자로 인체와 환경에 유해한 납(Pb)이 사용된다. 또 높은 온도와 대기 중 습기와 산소에 쉽게 부식돼 특유의 결정구조가 분해되면 효율이 떨어진다. 효율이 좋아도 안정적인 내구성을 보장하지 못하면 상업성이 떨어진다. 

그래서 납 대신 주석을 사용하고, 결정구조를 보호하는 내후(耐候)처리 방식이 개발됐다. 효율 저하와 비용 증가 문제가 있지만 곧 개선될 여지가 충분하다. 염료감응형 태양전지를 처음 개발했던 미카엘 그라첼(Michael Gratzel) 스위스 로잔공대 교수팀은 사우디아라비아 제다 지역의 덥고 습한 조건에서 성능저하 없는 안정성을 보여주는 실험에 성공했다.  

그리고 최근 한국연구재단의 잇단 발표에 따르면, 성균관대 정현석 교수팀이 용매를 이용해 광 흡수층에 함유된 납을 99% 이상 제거하는 동시에 수초 이내에 태양전지 기판과 금속전극이 분리되는 기술을 개발했다. 또 이광희 광주과학기술원 교수 연구팀은 페브로스카이트 수명 단축 원인을 해결한 태양전지를 개발했다. 이 교수는 "페로브스카이트 태양전지의 효율 감소 원인을 밝힘과 동시에 수명을 1년 이상 연장할 수 있게 됐다"고 밝혔다.  

올해 초 미국 국립재생가능에너지연구소는 현재 실리콘계 태양광 전지의 최고 효율이 29.8%라고 발표한 바 있다. 페로브스카이트 태양전지는 아직 실현되지 않았지만, 이 새로운 기술은 현재 기록을 충분히 깰 수 있을 것으로 예상된다. 더욱이 값싸고 더 오래 가는 페로브스카이트는 현재 에너지 공급에서 1% 정도에 그치고 있는 태양광 에너지 분야의 훌륭한 대안으로 자리잡을 수 있을 것이다.(에너지경제)