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일본 NEDO 및 파나소닉, 광역 페로브스카이트 태양 전지 모듈로 세계 최고 에너지 효율 16.09% 달성
동일 규격의 제품 중 세계 최고의 에너지 효율을 가진 파나소닉 페로브스카이트 태양전지 모듈

파나소닉(Panasonic Corporation)이 유리 기질을 활용한 경량화 기술과 잉크젯 인쇄 기술을 바탕으로 한 광역 코팅 기술을 개발하여 페로브스카이트 태양 에너지 모듈(개구 면적 802cm2: 길이 30cm x 너비 30cm x 두께 2mm)로 16.09%라는 세계 최고의 에너지 전환 효율을 달성했다.

이는 신재생 에너지 및 산업기술 개발 기구(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)의 프로젝트 일환으로 실시됐다. NEDO는 ‘고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발’을 통해 태양 에너지 생산을 널리 확산하고자 앞장서고 있다.

넓은 영역을 포괄할 수 있는 잉크젯 기반 코팅 기술은 모듈 제작 비용을 낮춘다. 뿐만 아니라 이 고효율 광역 경량 모듈은 기존 태양 에너지 패널을 설치하기 어려운 건물 외벽 등의 장소에서도 높은 효율로 태양 에너지를 생산할 수 있다.

앞으로 NEDO와 파나소닉은 계속해서 페로브스카이트 레이어 소재를 향상하여 크리스털 실리콘 태양 전지보다 더 높은 효율을 달성하고 이 기술을 새로운 시장에서 실제 적용이 가능하도록 구축할 계획이다.

1. 배경

세계에서 가장 널리 사용되고 있는 크리스털 실리콘 태양 전지는 일본에서 대규모 태양광 발전소, 주거지, 공장 및 공공시설 등의 분야를 시장으로 삼고 있다. 이 시장에 침투하고 새 시장을 확보하려면 태양 에너지 모듈을 더 밝고 크게 만드는 것이 중요하다.

페로브스카이트 태양 전지*1는 전력 생산 레이어를 포함한 두께가 크리스털 실리콘 태양 전지의 100분의 1밖에 되지 않는다는 구조적 장점 덕분에 무게가 더 가볍다. 가벼운 성질로 인해 투명 전도성 전극을 사용하여 외벽이나 창문 같은 다양한 위치에 배치가 가능하여 순 에너지 소비량 제로 건물(Net Zero Energy Buildings, ZEB*2)의 확산을 이끌 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 각 레이어에 기질을 바로 코팅할 수 있어서 기존 기술에 비해 더 저렴하게 생산된다. 페로브스카이트 태양 전지가 차세대 태양 전지로 주목을 받는 이유다.

한편 페로브스카이트 기술이 크리스털 실리콘 태양 전지보다 좁은 영역에서 25.2%*3의 에너지 전환 효율을 달성하기는 했으나 기존 기술로는 넓은 영역에 소재를 균일하게 코팅하기가 매우 어렵다. 그 결과 에너지 전환 효율은 감소할 수밖에 없었다.

이러한 배경을 극복하기 위해 NEDO는 ‘고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발’*4 프로젝트를 통해 태양 에너지 생산을 널리 퍼뜨리는 데 앞장서고 있다. 이 프로젝트의 일환으로 파나소닉은 페로브스카이트 태양 전지 모듈의 기질에 적용할 수 있는 잉크 생산을 포함한 잉크셋 방식 기반 광역 코팅 기술과 유리 기질을 활용한 경량화 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 파나소닉은 페로브스카이트 태양 전지 모듈(개구 면적 802cm2: 길이 30cm x 너비 30cm x 두께 2mm)로 16.09%라는 세계 최고의 에너지 전환 효율을 달성했다.

뿐만 아니라 제조 과정에서 잉크젯 방식을 활용한 광역 코팅 기술을 채택하면 비용도 낮출 수 있으며, 이 모듈의 경량, 광역, 고효율 전환 등의 특징을 통해 건물 외벽 등 기존 태양 에너지 패널을 설치하기 어려웠던 장소에서도 고효율 태양 에너지 생산이 가능해진다.

파나소닉은 페로브스카이트 레이어 소재를 향상하여 크리스털 실리콘 태양 전지보다 더 높은 효율을 달성하고 이 기술을 새로운 시장에서 실제 적용이 가능하도록 구축할 계획이다.

2. 성과

원자재를 균일하고 정확하게 코팅 가능한 잉크젯 코팅 방식에 초점을 맞춤으로써 파나소닉은 이 기술을 유리 기질의 페로브스카이트 레이어를 포함한 태양열 전지의 각 레이어에 적용하여 광역 모듈에서 높은 에너지 전환 효율을 실현했다.

[기술 개발 요점]
(1) 잉크젯 코팅에 알맞은 페로브스카이트 전구체 구성요소 개선
페로브스카이트 크리스털을 형성하는 원소 그룹 가운데 메틸아민은 모듈 생산 도중 가열 과정에서 열 안정성 문제를 일으켰다. 메탈아민은 열을 받으면 페로브스카이트 크리스털에서 제거되면서 크리스털의 특정 부분을 파괴했다. 메탈아민의 특정 부분을 지름이 적당한 포름아미디늄, 세슘, 루비듐으로 교체하자 크리스털 안정에 효율적이었으며, 이 방식은 높은 에너지 전환 효율성으로 이어졌다.

(2) 페로브스카이트 잉크의 농도, 코팅양 및 코팅 속도 조절
잉크젯 코팅 방식의 박막 형성 과정에서 소재의 닷 패턴과 크리스털화의 균일성을 각 레이어에 유지하는 것이 중요하지만, 코팅 패턴에는 조절할 수 있는 여지가 있다. 페로브스카이트 잉크의 농도를 조절하고 코팅양과 코팅 속도를 정확하게 통제하여 이 요구 조건을 충족함으로써 광역 모듈의 높은 에너지 전환 효율을 달성했다.

파나소닉은 이 기술을 각 레이어의 코팅 과정에 최적화하여 크리스털 성장을 강화하고 크리스털 레이어 두께의 균일성을 높이는 데 성공했다. 그 결과 에너지 전환 효율을 16.9%로 높이며 실제 적용에 한 걸음 다가섰다.

3. 향후 계획

NEDO와 파나소닉은 광역 페로브스카이트 모듈에 대해 낮은 생산 비용과 가벼운 무게를 실현함으로써 태양 전지가 배치되거나 채택된 적이 없었던 신시장을 개척할 계획이다. 페로브스카이트 태양 전지와 관련된 각 소재의 개발을 바탕으로 NEDO와 파나소닉은 크리스털 실리콘 태양 전지보다 높은 효율을 달성하고 생산 비용을 와트당 15엔으로 낮추는 것을 목표로 한다.

이 결과는 쓰쿠바 국제콘퍼런스센터(Tsukuba International Conference Center)에서 개최된 IPEROP20(Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics)에서 발표됐다.

URL: https://www.nanoge.org/IPEROP20/program/program

[주석]
*1 페로브스카이트 태양 전지
빛 흡수 레이어가 페로브스카이트 크리스털로 구성된 태양 전지.
*2 순 에너지 소비량 제로 건물(ZEB)
ZEB는 에너지 부하 제어판 및 고효율 시스템을 설치한 비주거용 건물이다. 실내 환경의 질을 유지하고 에너지 절약 및 재생 에너지 활용을 통해 결과적으로 연간 에너지 생산과 소비의 차이를 0으로 만드는 것을 목표로 한다.
*3 에너지 전환 효율 25.2%
좁은 영역에서 태양 전지로 기록한 세계 최고 에너지 전환 효율은 한국화학연구원과 매사추세츠공과대가 공동으로 발표했다.
Best Research-Cell Efficiency (Rev.11-05-2019) - NREL
*4 고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발
- 프로젝트명: 고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발/혁신적인 새 구조의 태양 전지 연구 및 개발/혁신적으로 낮은 생산 비용 연구 빛 개발
- 프로젝트 기간: 2015-2019년
- 참고 자료: 2018년 6월 17일 자 NEDO 보도자료 ‘세계 최대 필름 기반 페로브스카이트 태양 전지 모듈’
https://www.nedo.go.jp/english/news/AA5en_100391.html
*5 에너지 전환 효율 16.09%
일본 산업기술종합연구소(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology )의 MPPT 방식으로 측정된 효율 값(최대 전력 측정법: 실제 사용되는 전환 효율에 가까운 측정법).

파나소닉(Panasonic) 개요

파나소닉 코퍼레이션(Panasonic Corporation)은 소비자가전, 주택, 자동차, B2B 분야에서 다양한 전자 기술과 고객 솔루션을 개발하는 세계적인 선도기업이다. 2018년 창립 100주년을 맞이한 파나소닉은 전 세계로 시장을 확대하고 있으며 현재 582개의 자회사와 87개의 관련 회사를 운영하고 있다. 2019년 3월 31일로 종료된 회계연도의 연결순매출액은 8조30억엔에 달했다. 다양한 사업부에서 혁신을 통한 새로운 가치 추구를 지향하고 있는 파나소닉은 고객을 위한 더 나은 삶과 더 나은 세상을 창조하기 위해 노력하고 있다. 자세한 내용은 파나소닉 웹사이트(http://www.panasonic.com/global) 참조.

신재생 에너지 및 산업기술 개발 기구(NEDO) 개요

신재생 에너지 및 산업기술 개발 기구(NEDO)는 기술 개발 활동에 투자함으로써 일본 경제 및 산업화 정책에 중대한 영향을 행사한다. NEDO는 에너지 및 환경 문제 해결과 산업 기술 향상이라는 두 가지 기본 과제를 실현하기 위한 혁신 액셀러레이터로도 활동한다.
더 자세한 정보는 다음 웹사이트에서 볼 수 있다. https://www.nedo.go.jp/english/introducing_index.html

출처: https://news.panasonic.com/global/press/data/2020/02/en200207-2/en200207-2.html

관련 링크

New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO)
https://www.nedo.go.jp/english/

파나소닉 R&D 개요
https://www.panasonic.com/global/corporate/technology-design/r-and-d.html

비즈니스 와이어(businesswire.com) 원문 보기: https://www.businesswire.com/news/home/20200206006046/en/

[이 보도자료는 해당 기업에서 원하는 언어로 작성한 원문을 한국어로 번역한 것이다. 그러므로 번역문의 정확한 사실 확인을 위해서는 원문 대조 절차를 거쳐야 한다. 처음 작성된 원문만이 공식적인 효력을 갖는 발표로 인정되며 모든 법적 책임은 원문에 한해 유효하다.]

언론연락처:NEDO New Energy Technology Department Contact Person: H.Tamai, T.Sato +81-44-520-5277

이 뉴스는 기업·기관이 발표한 보도자료 전문입니다.

조수미 기자  news@dailypress.co.kr

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