"中 내구성 뛰어넘었다"… 日 도시바·신에쓰, 태양전지 수명 '50% 연장' 성공

기존 실리콘 태양전지판 시장을 중국 기업들이 싹쓸이한 가운데, 차세대 '꿈의 태양광'으로 불리는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 분야에서 일본 연합이 최대 약점으로 꼽히던 내구성 난제를 극복하며 중국을 제치고 세계 최고 수준의 수명 연장 기술을 확보했다.

일본의 대표 전자 대기업 도시바(Toshiba)와 글로벌 반도체·화학 소재 1위 신에쓰화학(Shin-Etsu Chemical), 그리고 국립 니가타 대학이 결성한 산학 컨소시엄이 기존 제품 대비 수명을 1.5배(50%) 늘린 차세대 고내구성 페로브스카이트 전지를 개발하는 데 성공했다.

중국이 막대한 정부 보조금을 무기로 특허와 양산 규모를 선점해 가는 상황에서, 일본이 원천기술의 강점인 '초고효율·초고내구성'을 앞세워 2030년대 차세대 클린에너지 시장의 판도를 뒤집겠다는 승부수를 던진 것으로 평가된다.

9월 8일(현지시각) 일본 종합 경제 미디어 닛케이 아시아(Nikkei Asia) 보도에 따르면, 이번 3자 공동 프로젝트에서 도시바는 페로브스카이트 발전 셀 자체를 설계 및 제조했고, 신에쓰화학은 열과 습기로부터 셀을 완벽히 격리하는 특수 외부 케이싱(보호 외장재)을 개발했다.
니가타 대학은 열화(Degradation)를 방지해 셀의 장기 내구성을 끌어올리는 나노 스케일의 케이싱 밀봉 응용 기술을 완성했다.


페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘에 비해 얇고 유연해 건물 외벽이나 곡면, 자동차 루프 등에 필름처럼 부착할 수 있는 혁신적인 장점이 있지만, 열과 수분에 극도로 취약해 상용화의 핵심 지표인 '장기 수명 보장'이 최대 기술적 걸림돌로 지적되어 왔다.

이번 컨소시엄은 수분 흡수용 건조제(Desiccant)를 화학적으로 결합한 독자적인 '합성고무 소재 밀봉 공법'을 도입해 외부 수분과 열 침투를 원천 차단했다.

가속 수명 테스트 결과, 신형 셀은 섭씨 85도의 고온과 85%의 상대습도(85℃/85% RH)라는 극한의 가혹 조건에서 무려 3,000시간 동안 안정적인 전력 생산 능력을 유지했다.
이전까지 세계에서 가장 내구성이 우수한 것으로 평가받던 싱가포르국립대(NUS) 및 중국 제조사 연합의 2,000시간 기록을 훌쩍 뛰어넘는 세계 최고 기록이다.


상용화의 핵심은 페로브스카이트 층 아래에 기존 실리콘 전지 층을 결합한 '탠덤(Tandem) 셀' 구조다.

페로브스카이트가 단파장(푸른빛)을 흡수하고 실리콘이 장파장(붉은빛)을 흡수하는 이중 흡수 메커니즘을 통해, 얇은 단일 필름형 전지 대비 발전 효율을 약 30% 이상 대폭 끌어올릴 수 있다.

연구팀이 성공적으로 검증한 프로토타입은 단위 셀 면적 25㎟ 크기다.

연구팀은 향후 실제 산업 및 주택에 적용 가능한 250㎠ 이상의 대면적 모듈에서도 동일한 고효율·고내구성을 유지할 수 있는지 실증 시험에 착수할 예정이다.

최종 목표는 일반 실리콘 태양광 패널과 대등한 '20년 이상의 작동 내구 수명'을 확보해 오는 2030년대에 글로벌 시장에 정식 출시하는 것이다.


페로브스카이트는 2009년 일본의 미야사카 쓰토무(Miyasaka Tsutomu) 도인요코하마대 교수가 세계 최초로 발견한 '일본 태생'의 원천 기술이다.

그러나 중국이 국가적 보조금을 쏟아부으며 세계에서 가장 많은 페로브스카이트 관련 특허를 장악하고 상용 양산 라인을 선제 구축하자, 일본 업계는 초격차 내구성 기술로 차별화 방어선을 구축해 왔다.

카네카(Kaneka)가 2035년까지 발전 효율 40% 이상의 초고효율 패널 개발을 목표로 하고 있고, 조슈산업(Choshu Industry)이 2030 회계연도까지 20년 내구성 확보를 추진하는 등 일본 기업들의 기술 연대가 본격화되고 있다.

일본 정부 역시 정책적 지원을 아끼지 않고 있다.

일본 경제산업성은 오는 2040년까지 원자력 발전소 약 20기 분량에 해당하는 총 20기가와트(GW)의 페로브스카이트 태양광 패널을 전국에 보급하겠다는 국가 청사진을 세웠다.

특히 2012년 발전차액지원제도(FIT) 도입 당시 설치된 수많은 노후 실리콘 패널의 20~30년 수명이 2030년대부터 순차적으로 종료됨에 따라, 이들 노후 설비를 고효율 페로브스카이트 탠덤 셀로 대거 교체하는 거대한 내수 시장이 열릴 것으로 기대된다.

도시바·신에쓰 컨소시엄의 이번 수명 연장 성공은, 향후 ‘중국의 저가 물량 공세에 밀려 글로벌 1세대 태양광 주도권을 완전히 상실했던 일본이 차세대 페로브스카이트 신소재 패키징 기술을 앞세워 글로벌 청정에너지 헤게모니를 탈환하려는 치열한 역전 승부수’인 동시에 ‘설치 부지가 협소한 도심 환경에서 건물 일체형(BIPV) 및 모빌리티 태양광 시장의 판도를 뒤바꿀 혁신적 이정표’로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com