페로브스카이트 태양전지 26.5% — 결정 경계만 녹였다 굳힌 한·미 연구진, 공장 원가는 언제 움직일까

특정 종목이나 모듈 구매를 권하지 않습니다. 논문에서 확인된 실험과 언론·기업이 말하는 상용화 전망을 구분해 읽어 주세요.

연구를 이끈 사람들 — 유준홍, 도란, 신성식, 노준홍

공동 제1저자는 KRICT의 유준홍, 미국 UC San Diego의 코너 도란(Connor J. Dolan), 성균관대 신성식 교수팀의 남성식(Seongsik Nam)입니다. 아이디어와 실험 설계는 유준홍·도란·신성식과 데이비드 펜닝(UCSD), 데인 드킬렛(MIT·프린스턴)이 함께 잡았고, 이 중 신성식·펜닝·드킬렛이 교신저자입니다. 펜닝 쪽은 방사광 가속기(싱크로트론)를 쓰는 나노프로브 분석과 공융체 융해 실험 설계를, 남성식은 박막 구조·형상 분석과 미니모듈 제작, 전기발광 측정을 맡았습니다. 고려대 노준홍(Jun Hong Noh) 교수는 박막의 광학 특성과 재료 파라미터 추출에 참여했습니다. 출처: Science · Authors

유준홍과 신성식은 2021년 Nature에서 전하 관리로 고효율 페로브스카이트를 이미 보고한 팀입니다. 이번 연구는 ‘전극·층 설계’에서 한 걸음 더 들어가, 잉크 안의 염이 어닐링(막을 구워 결정을 굳히는 열처리) 때 결정 자체를 어떻게 다듬는지를 겨냥합니다. 노준홍 교수는 국내에서 할라이드 페로브스카이트 효율 연구의 대표적인 이름 중 하나로, 이번에는 박막의 광학 상수를 뽑아 효율·전압 손실을 해석하는 바탕을 만들었습니다.

페로브스카이트가 막힌 이유 — 결정립 경계의 재결합

페로브스카이트 태양전지는 얇은 결정막이 빛을 흡수해 전기를 만듭니다. 막 안의 결정 알갱이(결정립) 사이 경계는 전자가 갇히거나 소멸하기 쉬운 곳입니다. 재결합이 많으면 전압과 효율이 떨어집니다. 그래서 ‘얼마나 잘 빛을 내는가(광발광)’와 ‘얼마나 오래 전자가 살아 있는가’가 같은 문제의 양면입니다. 논문 초록은 이 박막의 광발광 양자수율과 전하 수명이 높아지고 표면 재결합 속도가 낮아졌다고 적습니다.

기존 연구는 표면에 패시베이션(결함을 덮어 전자가 새지 않게 하는 처리) 액체를 바르거나, 염화 메틸암모늄(MACl)처럼 휘발성 염으로 결정을 키우는 방법이 많았습니다. 이번 팀은 아연 브롬화물(ZnBr2)과 MACl이 만드는 공융체(서로 섞였을 때 녹는 점이 낮아지는 혼합)를 이용해, 어닐링 중 결정립 경계만 잠깐 녹였다가 다시 굳히는 길을 택했습니다.

1. 1
   잉크 첨가

   ZnBr2 + MACl이 공융 상호작용 형성

2. 2
   어닐링

   결정립 경계에서 국소 융해 → 결함 밀도↓

3. 3
   아연 분리

   경계·계면으로 Zn 이동, 비복합 결함 패시베이션

4. 4
   휘발

   첨가물이 빠져 나가며 깨끗한 결정막 유지

휘발성 공융체가 기존 첨가와 다른 점

Science 편집자 요약은 핵심을 한 문장으로 압축합니다. 어닐링 때 결정립 경계에서 공융 혼합이 국소적으로 녹으면서 결정립이 자라고(성숙), 구조 결함이 줄어든다고 합니다. 동시에 아연은 경계와 계면으로 모이고, 아이오딘 결함을 막는 역할을 할 가능성이 제시됩니다. 첨가물이 공정 끝에 휘발해 나가면 막에 불순물이 덜 남는다는 점도 상용화 논의에서 중요합니다. 추가 세척·건조 단계가 늘면 공장 비용이 바로 올라갑니다. 출처: Science · Editor’s summary

펜닝·도란 쪽의 나노프로브 X선 분석은 결정립 경계와 결정 내부를 나눠 원소 분포를 들여다보는 증거입니다. 막 전체를 무작정 더 뜨겁게 굽는 것과, 경계만 잠깐 액체처럼 풀어 결함을 메우는 것은 다릅니다. 이 차이는 Shockley–Queisser 한계(단일 접합 태양전지가 이론적으로 낼 수 있는 최대 효율, 약 33%)에 다가가려면 빛을 내지 못하고 사라지는 전자를 줄여야 한다는 재료 연구의 오래된 숙제와 맞물립니다.

신성식·남성식 팀의 숫자 — 셀 26.5%, 미니모듈 23.9%, 85°C 1400시간

소형 셀 26.5%는 연구실 자체 측정이고, 25.9%는 외부 기관이 다시 잰 인증값입니다. 두 숫자가 조금씩 갈라지는 것은 페로브스카이트 논문을 읽을 때 흔한 패턴입니다. 면적이 15cm²를 넘는 미니모듈 23.9%는 ‘작은 샘플만 잘 나온다’는 비판에 직접 답하는 수치입니다. 다만 여전히 실리콘 모듈 면적(수백 cm²~m²)보다 작습니다.

안정성 숫자는 조건을 붙여 읽어야 합니다. PTAA 홀 전하 수송층을 쓴 소형 셀이 초기 24.1%에서 85°C 연속 1400시간 후 초기 효율의 85.8%를 유지했다는 보고입니다. 실외 25년·습열·자외선을 대신하지 않습니다. 그럼에도 85°C 연속 가동은 한여름 지붕 위 모듈이 실제로 겪는 온도대이고, 봉지재(모듈을 감싸 습기·산소를 막는 층) 열화와도 연결되는 스트레스입니다.

같은 화학으로 LED 외부 양자효율(EQE) 26.1%도 보고했습니다. 태양전지와 디스플레이가 같은 증착·어닐링 설비를 공유할 수 있다는 뜻으로 읽을 수 있습니다. 한국의 디스플레이 라인이 페로브스카이트 LED를 시험할 때, 이번 결정화 조건 범위(공정 창)가 공정 조건표에 들어갈 수 있습니다.

상용화는 다른 층 — Qcells·GCL이 건 인증과 입찰

2026년 들어 페로브스카이트-실리콘 탠덤은 ‘실험실 효율’과 ‘은행이 돈을 빌려 주는 모듈’ 사이 간격이 좁혀지고 있습니다. Qcells는 7월, 페로브스카이트 탠덤 기술로 TÜV Rheinland의 IEC·UL 61215·61730 인증을 처음 받았다고 밝혔습니다. 61215는 열·습도·하중을 견디는 내구성 시험, 61730은 전기 안전 시험입니다. 상용화의 문을 연 것은 특정 잉크 첨가법이 아니라 이런 스트레스 시험과 표준화였다는 뜻입니다. 출처: PV Tech · Qcells

중국 GCL Optoelectronics는 화능(Huaneng) 그룹의 1.2MW 상업용 탠덤 모듈 입찰을 따냈다고 3월 보도가 전했습니다. 조건에는 양산 효율 25% 이상, IEC 인증, 25년 성능 보증, 2026년 납품이 포함됐습니다. 이 논문의 26.5%와 GCL 입찰 조건은 직접 같은 제품을 뜻하지 않습니다. 다만 ‘효율 숫자 하나’가 아니라 인증·보증·GW 라인이 가격을 결정한다는 틀은 같습니다. 출처: pv magazine · GCL

한국 공장 비용이 움직이는 조건 — 증착, 어닐링, 수율

저자진에 KRICT·성균관대·고려대가 함께 있다는 점은 국내 파일럿 라인 관점에서 의미가 있습니다. 페로브스카이트 파일럿 라인의 병목은 종종 ‘도포 후 어닐링 온도·시간·가스’와 ‘면적이 커질 때 균일도’입니다. 공융체 첨가가 어닐링 창을 넓히거나 결함을 줄이면, 같은 장비에서 양품 면적이 늘어날 여지가 생깁니다. 그때 줄어드는 것은 재작업·스크랩 비용입니다. 다만 와트당 원가($/W)는 논문에 나오지 않습니다. 이 값은 수율·면적·모듈 수명이 함께 좋아질 때에만 내려갑니다.

앞서 다룬 관련: 스크린 프린팅 페로브스카이트 21.86% 글은 ‘효율보다 공정’이 뉴스였다고 적었습니다. 이번 Science 결과는 잉크 조성·어닐링 쪽의 또 다른 레버입니다. 관련: 자율 연구실과 27.22% 태양전지는 실험 반복 비용을 줄이는 축이고, 이번 연구는 한 번의 어닐링에서 막 질을 올리는 축입니다. 두 축이 맞물릴 때 R&D와 파일럿 비용 구조가 같이 바뀝니다.

태양광이 물·전력을 함께 쓰는 응용은 관련: 태양광 담수화 연구에서 다른 각도로 다뤘습니다. 모듈 효율이 올라가면 같은 면적에서 더 많은 전기를 뽑을 수 있지만, 담수화 경제성은 여전히 열·막·유지비가 갈립니다. 페로브스카이트 효율 논문을 그 글의 수치에 곧바로 대입하면 과장입니다.

논문이 확인한 것과 아직 확인되지 않은 것

• 확인: ZnBr2+MACl 공융체로 결정화 조절, 소형 셀 26.5%(인증 25.9%), >15 cm² 모듈 23.9%, 85°C 1400 h 후 초기 효율의 85.8% 유지(Science 초록).
• 확인: LED EQE 26.1% 동일 플랫폼 보고.
• 확인: 교신저자 드킬렛은 페로브스카이트 계측 스타트업 Optigon 공동창업자이며, 관련 미국 특허 출원(64/117,376)이 논문 이해상충 항목에 적혀 있음.
• 전망(조건부): 어닐링 수율 개선이 스크랩·재작업비를 줄이면 국내 파일럿 라인 단가에 플러스 — 첨가물·세척·봉지 비용이 상쇄할 수 있음.
• 전망(외부): Qcells·GCL 등 인증·입찰이 상용 탠덤 시장을 열지만, 이번 잉크가 그 제품에 채택된다는 보고는 없음.

투자나 모듈 선택은 본인의 리스크 허용과 설치 조건에 달려 있습니다. 이 글은 재료 논문이 공장 손익에 닿으려면 다음 증거가 필요하다는 데까지만 짚습니다. 면적을 키웠을 때 효율이 얼마나 깎이는지, IEC 스트레스 시험을 통과하는지, 봉지재가 몇 년을 버티는지입니다. 솔직히 코인 크기 셀의 효율 0.5%포인트보다 이 세 가지 소식이 더 기다려집니다.

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26.5%는 출발점이고, 원가는 수율·봉지·인증이 맞물릴 때만 움직입니다.

출처와 참고 링크

• Science · Volatile eutectics (2026-10-08)
• PV Tech · Qcells IEC/UL tandem
• pv magazine · GCL commercial tandem tender