- NREL 차트 공식 등재 쾌거…차세대 태양광 기술 주도권 확보 기대 -

국내 연구진이 페로브스카이트/CIGS(copper indium gallium selenide, 구리 인듐 갈륨 셀레늄) 탠덤 태양전지* 분야에서 광발전성능** 신기록을 달성하며 한국의 독보적인 기술력을 입증했다.
* 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 : 서로 다른 광에너지를 흡수할 수 있는 두 종류의 얇은(박막) 태양전지를 2층으로 겹쳐 만든 태양전지로, 기존 단일 태양전지보다 훨씬 더 많은 전기를 만들 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있음
** 광발전성능 : 빛을 전기로 바꾸는 효율

한국머스트잇 토토재단(이사장 홍원화)은 토토사이트 재료공학부 김진영 교수팀과 한국과학기술머스트잇 토토원(이하 KIST) 차세대태양전지머스트잇 토토센터 정증현 박사팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지의 에너지 손실을 줄일 수 있는 기술을 개발, 이 분야에서 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했다고 밝혔다.

2050년 탄소중립 목표를 위해 태양광 발전은 필수적이지만, 우리나라는 인구밀도가 높고 국토 면적이 협소해 대규모 태양광 발전소를 위한 부지 확보에 큰 어려움을 겪고 있다.

이러한 상황에서 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지는 가볍고 잘 휘어지는 특성 덕분에 건물 외벽이나 창문, 자동차 지붕, 방음벽 등 다양한 곳에 스티커처럼 쉽게 붙일 수 있어 국토의 효율적 이용을 극대화할 훌륭한 대안으로 꼽히고 있다.

공동연구팀은 만들기 쉽고 비용이 저렴한 페로브스카이트 태양전지와 더 넓은 영역의 빛을 흡수하는 CIGS 태양전지를 결합하는 방법을 고안, 실리콘 기반 탠덤 태양전지와 대등한 수준의 고효율을 박막 형태로 구현할 수 있는 기술을 개발해 냈다.

먼저, 토토사이트 머스트잇 토토팀은 거친 표면의 CIGS 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 안정적으로 쌓아 올릴 수 있도록 특수 소재와 공정을 개발, 이를 통해 두 태양전지가 빈틈없이 완벽하게 붙어 최고의 성능을 낼 수 있도록 만들었다.

KIST 머스트잇 토토팀은 두 태양전지를 연결하는 부분에서 에너지 손실이 거의 없도록 다리 역할을 하는 연결층을 최적화해 태양전지가 제 성능을 100% 발휘할 수 있도록 지원했다.

이를 통해 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했으며, 이는 이전 독일 머스트잇 토토소의 최고 기록(24.6%)을 1.7%나 뛰어넘는 쾌거이기도 하다.

이번 기록은 세계적인 태양전지 머스트잇 토토기관인 미국 국립재생에너지머스트잇 토토소(NREL)의 공식 효율 차트(NREL chart)에 올 4월에 처음으로 등재됐다.

이번 머스트잇 토토성과에 대해 정증현 박사는 “최고 수준의 효율을 달성하면서도, 기존 실리콘 기반 고효율 기술로는 적용이 어려웠던 건물, 자동차, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 박막 탠덤 기술의 잠재력을 증명했다”라고 평가했다.

그리고 4한국학 통일학지원는 “이번 NREL 차트 등재를 계기로 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지 기술의 주도권을 한국이 확보하고, 다소 더디게 성장해 온 해당 분야의 기술 개발을 더욱 가속화하는 전환점이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국머스트잇 토토재단이 추진하는 단계도약형 탄소중립기술개발사업 및 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

1. 머스트잇 토토의 필요성

2050년 탄소중립 목표 달성을 위해서는 태양광 에너지의 확대가 필수적이지만, 우리나라는 국토가 좁아 대규모 발전소 부지 확보에 어려움이 있습니다. 따라서 건물, 자동차, 항공우주 등 기존 공간을 활용하는 혁신적인 태양광 기술이 필요하며, 제한된 설치 면적에서 최대한의 전기를 생산하는 '고효율' 기술이 무엇보다 중요합니다.

CIGS와 페로브스카이트는 이러한 요구에 부응하는 대표적인 고효율 박막 태양전지 기술입니다. 두 소재 모두 흡수하는 빛의 에너지 대역(밴드갭)을 조절하는 능력이 뛰어나 탠덤 태양전지를 구현하는 데 이상적이며, 특히 페로브스카이트는 높은 밴드갭에서, CIGS는 낮은 밴드갭에서 각각 강점을 가집니다. 이 때문에 두 기술을 2층으로 쌓아 효율을 극대화하는 박막 탠덤 조합으로 큰 기대를 모았습니다.

하지만 이러한 높은 잠재력에도 불구하고, 두 기술은 재료와 공정 등 학문적 배경이 다른 탓에 융합 머스트잇 토토가 더디었습니다. 결정적으로 CIGS의 거친 표면 위에 고품질의 페로브스카이트 박막을 결함 없이 결합하는 공정의 난이도 때문에, 선행 머스트잇 토토들은 효율 24% 수준의 한계를 넘지 못하고 있었습니다. 따라서 이 기술적 장벽을 돌파하여 박막 탠덤 태양전지의 잠재력을 실현하고, 탄소중립과 미래 에너지 시장을 선도할 핵심 기술을 확보하는 머스트잇 토토가 시급한 상황이었습니다.

2. 머스트잇 토토내용

세계 최고 효율 26.3% 달성 및 공식 인증: 토토사이트-KIST 공동머스트잇 토토팀은 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지에서 세계 신기록인 26.3%의 광전변환효율을 달성했으며, 이 성과는 미국 국립재생에너지머스트잇 토토소(NREL)의 공식 최고 효율 차트에 등재되었습니다.

상·하부 셀의 최적화 및 광전류 극대화: 탠덤 구조의 효율을 극대화하기 위해 각 셀의 성능을 최고 수준으로 끌어올렸습니다. 특히, 기존에 효율이 낮았던 1.05 eV 이하의 저밴드갭 CIGS 하부 셀의 밴드갭 분포를 정밀하게 조절하여, 전압 손실은 억제하면서 높은 광전류를 동시에 달성하는 데 성공했습니다. 또한 상·하부 셀의 전류 균형을 위해 페로브스카이트 상부 셀의 밴드갭을 최적화하여, 광전류를 기존 대비 8.4% 향상된 20.88 mA/cm²까지 끌어올렸습니다. 이는 최고 성능의 실리콘/페로브스카이트 탠덤 태양전지의 광전류와 대등한 수준입니다.

계면 공학 및 핵심 성능 지표 개선: 두 셀을 완벽하게 결합하는 계면 공학에 집중했습니다. CIGS의 거친 표면 위에서도 우수한 정합성을 갖는 페로브스카이트 증착 기술을 확보하고, 두 셀 사이의 중간층을 최적화해 ①하부 셀의 전하 수송 능력, ②광흡수 성능, ③상부 셀과의 계면 정합성을 모두 향상시켰습니다. 이러한 중간층 최적화를 통해 계면에서의 전하 이동 능력을 높여, 태양전지의 성능을 결정하는 중요 지표인 필팩터(FF)를 백분율 기준 3.1% 개선하는 성과를 거두었습니다.

3. 머스트잇 토토성과/기대효과

머스트잇 토토 핵심내용 요약: 본 머스트잇 토토는 서로 다른 특성을 가진 페로브스카이트(상부 셀)와 CIGS(하부 셀)를 2층으로 쌓아 효율을 극대화하는 탠덤 기술의 난제를 해결했습니다. 저밴드갭 CIGS 하부 셀의 효율을 높이고, 페로브스카이트 상부 셀의 광전류를 최적화하여 각 셀의 성능을 최고 수준으로 끌어올렸습니다. 결정적으로, 두 셀의 거친 계면을 완벽하게 잇는 중간층 최적화 및 접합 공정 기술을 통해 에너지 손실을 최소화하고 필팩터(FF) 등 핵심 성능을 개선하여, 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지 분야에서 세계 최고 효율인 26.3%를 달성했습니다.

적용 분야: 가볍고 유연하며 고효율을 내는 본 기술의 특성은 기존 태양전지가 적용되기 어려웠던 다양한 분야로의 확장을 가능하게 합니다. 건물 외벽·창호(BIPV)나 자동차 선루프 등 도심 공간을 발전소로 활용하여 에너지 자립률을 높일 수 있으며, 드론, 개인용 비행체 등 미래 모빌리티의 핵심 동력원으로 사용될 수 있습니다. 또한, 무게와 효율이 매우 중요한 우주 항공 분야의 핵심 부품 기술로도 활용이 기대됩니다.

46교과과정: 이번 성과는 오랫동안 24%대에 정체되어 있던 박막 탠덤 태양전지 기술의 한계를 돌파했다는 점에서 큰 기술적 의의를 가집니다. 이를 통해 우리나라는 차세대 태양전지 분야에서 세계적인 기술 주도권을 확보하고, 향후 30% 이상의 초고효율 머스트잇 토토를 가속화할 중요한 발판을 마련했습니다. 나아가 이러한 기술 리더십은 건물, 자동차, 우주 항공 등 새로운 고부가가치 시장을 창출하고 관련 소재·부품 산업의 동반 성장을 견인할 것입니다. 궁극적으로는 국가 탄소중립 목표 달성에 실질적으로 기여하는 동시에, 우주 개발과 같은 미래 전략 산업의 국가 경쟁력을 한 단계 끌어올리는 핵심 기술이 될 것으로 기대됩니다.

47본문 영역 바로가기

(그림1) NREL의 태양전지 최고효율 차트 (2025. 6.) https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency (This plot is courtesy of the National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO.)
미국의 신재생에너지머스트잇 토토소에서 작성하는 태양전지별 세계 최고 효율을 보여주는 차트로, 토토사이트와 한국과학기술머스트잇 토토원의 공동머스트잇 토토로 Perovskite/CIGS 탠덤 태양전지 효율을 2025년 6월, 26.3%로 갱신하여 등재되었다.
그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술머스트잇 토토원 정증현 책임머스트잇 토토원

(그림2) 그림 1의 NREL의 태양전지 최고효율 차트 (2025.6.) 중 최근 2005년 이후 등재결과만을 포함하여 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 기록을 확대한 수정 이미지. 토토사이트와 한국과학기술머스트잇 토토원의 공동머스트잇 토토 성과(26.3%)가 SNU/KIST로 명기돼 있다.
그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술머스트잇 토토원 정증현 책임머스트잇 토토원

(그림3) 세계최고효율 페로브스카이트/CIGS 탠덤태양전지
그림설명 및 그림제공 : 토토사이트 김진영 교수

(그림4) 세계최고효율 페로브스카이트/CIGS (좌) 탠덤태양전지의 도식도 및 (우) 투과전자현미경 단면 사진
그림설명 및 그림제공 : 토토사이트 김진영 교수