Comparative Technical-Economic Analysis of Perovskite-Silicon Tandem Cells vs. Last-Generation Commercial N-Type Technologies (TOPCon, HJT, and BC)

태양을 지구를 향해 쏟아지는 거대하고 끊임없는 배터리 충전기라고 상상해 보세요. 수십 년 동안 과학자들은 최대한 많은 에너지를 잡아내어 우리의 전등, 자동차, 도시를 밝힐 전기로 바꾸는 궁극의 "태양 포획기(solar catcher)"를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 지금까지 가장 인기 있는 포획기는 모래와 컴퓨터 칩에서 발견되는 것과 같은 물질인 실리콘으로 만들어졌습니다. 실리콘 셀을 단일 층의 스펀지라고 생각해 보세요. 이들은 물을 흡수하는 데는 뛰어나지만, 더 이상 머금지 못하고 흘러내리기 시작하는 한계가 있습니다. 태양광의 세계에서 이 한계를 "쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Queisser limit)"라고 부르는데, 이는 단일 층의 스펀지가 아무리 열심히 노력해도 더 이상 젖을 수 없는 이론적인 천장입니다.

이 천장을 깨뜨리기 위해 연구자들은 이제 "탠덤(tandem)" 포획기를 만들고 있습니다. 두 개의 서로 다른 스펀지를 위로 쌓아 올린다고 상상해 보세요. 고에너지 빛을 잡는 '페로브스카이트(perovskite)'라는 새로운 마법의 물질로 만든 상단 층과, 나머지 빛을 잡는 실리콘 하단 층이 결합된 형태입니다. 이 이중 층 팀은 단일 스펀지가 결코 할 수 없었던 훨씬 더 많은 에너지를 흡수할 것을 약속합니다. 하지만 여기서 큰 질문이 생깁니다. 이 화려한 새로운 이중 스펀지가 오늘날 우리가 사용하는 오래되고 신뢰할 수 있는 단일 스펀지를 대체할 준비가 되었을까요, 아니면 현실 세계에서 쓰기에는 너무 비싸고 취약한 그저 멋진 과학 실험에 불고 있을까요? 이것이 바로 새로운 연구가 해결하고자 하는 퍼즐입니다.

위대한 태양광 대결: 구세대 대 신예

이 연구에서 저자 데이비드 자르코 곤살레스(David Zarco González)는 현재 태양광 시장을 지배하고 있는 기존의 챔피언들과 미래의 떠오르는 별을 비교하기 위해 거대한 디지털 경주 트랙을 설정했습니다. "구세대(Old Guard)"는 이미 시장을 장악하고 있는 세 가지 유형의 고급 실리콘 셀인 TOPCon, HJT, BC로 구성됩니다. 이들을 숙련된 마라톤 선수라고 생각하세요. 믿음직하고 빠르며, 넘어지지 않고 경주를 완주할 수 있음이 증명되었습니다. "신예(New Contender)"는 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀로, 누구보다 빠르게 달릴 잠재력을 가졌지만 아직 중심을 잡는 법을 배우고 있는 이중 층의 강자입니다.

이 연구는 단순히 실험실에서 누가 가장 빠른지만을 본 것이 아닙니다. 연구진은 이 기술들이 매우 다른 세 가지 실제 환경에서 30년 동안 어떻게 성능을 발휘할지 시뮬레이션했습니다. 스페인 코르도바의 뜨겁고 햇살 가득한 들판, 남부 스위스/이탈리아의 변화무쌍한 날씨의 평원, 그리고 네덜란드 위트레흐트의 구름 끼고 서늘한 하늘이 그 대상입니다. 또한 지상의 거대한 태양광 발전소와 산업용 건물 옥상의 태양광 패널이라는 두 가지 설정도 테스트했습니다.

결과: 경주의 승자는 누구인가?

시뮬레이션 결과가 숫자를 산출했을 때, 결과는 "와우"와 "잠깐만요"가 섞여 있었습니다.

먼저, 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀은 놀라운 속도를 보여주었습니다. 시뮬레이션 결과, 이들은 거의 모든 시나리오에서 30년 동안 가장 많은 전기를 생산했습니다. 예를 들어, 햇빛이 강한 스페인의 지상 설치형 농장에서 탠덤 셀은 30년 동안 약 57,154.6 MWh를 생산하여, 최고의 실리콘 주자인 HJT(56,172.6 MWh)를 앞질렀습니다. 효율이 높기 때문에 동일한 양의 전력을 얻기 위해 더 적은 수의 셀이 필요하며, 이는 "시스템 균형 비용(Balance of System, 와이어, 랙, 지지 구조물 등)"을 절감해 줍니다.

하지만 함정이 있습니다. 연구에 따르면 탠덤 셀이 더 많은 에너지를 생산함에도 불구하고, 현재 구매 및 설치 비용이 훨씬 더 비쌉니다. 탠덤 모듈의 비용은 약 0.24 €/Wdc로 추정되는 반면, 실리콘 경쟁자들은 TOPCon과 BC의 경우 0.115 €/Wdc, HJT의 경우 0.125 €/Wdc로 훨씬 저렴합니다.

이 높은 가격표 때문에, 프로젝트 수명 동안 지불하는 전력 단위당 평균 가격인 "균등화 발전 비용(LCOE)"은 지역에 따라 실리콘 옵션과 매우 비슷하거나 오히려 약간 더 높게 나타납는 경우가 많았습니다.

• 스페인 (지상): 탠덤의 LCOE는 40.72 €/MWh로, TOPCon의 40.17 €/MWh보다 약간 높았습니다.
• 이탈리아 (지상): 탠덤은 60.10 €/MHe로, 실제로 TOPCon의 59.90 €/MWh보다 약간 높았습니다.
• 네덜란드 (지상): 탠덤은 85.16 €/MWh로, 이는 TOPCon의 85.09 €/MWh와 거의 동일하며 기술적으로는 아주 미세하게 더 높습니다.

연구는 탠덤 셀이 빛이 약하거나 날씨가 서늘한 곳, 예를 들어 네덜란드와 같은 곳에서 더 좋은 거래처럼 보이기 시작한다고 제안합니다. 왜냐하면 이들의 우수한 효율성이 빛이 희미할 때도 더 많은 전력을 짜낼 수 있게 해주기 때문입니다. 하지만 가장 뜨겁고 햇빛이 강한 곳에서는 탠덤 셀의 추가 비용이 그들이 생성하는 추가 전력의 이점을 상쇄해 버리는 경우가 많습니다.

"미완의 과제" 문제

이 논문은 한 가지 주요 장애물에 대해 매우 명확하게 언급합니다. 바로 **안정성(Stability)**입니다. 저자는 탠덤 셀이 매우 빠르긴 하지만, 30년 경주를 완주할 만큼 튼튼하게 만들어지지는 않았을 수도 있다고 지적합니다. 연구에 따르면 탠덤 셀은 연간 **1.0~2.0%**의 비율로 퇴화(마모)할 수 있는 반면, 실리콘 주자들은 TOPCon의 ≤0.40%, HJT의 **≤0.25%**와 같이 훨씬 느리게 퇴화합니다.

달리기가 매우 빠른 러너가 첫 1마일을 엄청나게 질주한 뒤, 그 후 매년 절뚝거리며 속도가 줄어드는 모습을 상상해 보세요. 실리콘 주자들은 거북이와 같습니다. 꾸준하게 시작하여 수십 년 동안 일정한 속도를 유지합니다. 연구는 은행과 투자자들이 거액의 대출(비소구 금융)을 위해 탠덤 셀을 신뢰하기 위해서는, 이 셀들이 10년 후에 무너지지 않을 것이라는 증거가 필요하다고 언급합니다. 현재 탠덤 셀은 실리콘 거물들이 제공하는 30년 보증과 달리, 10~15년의 파일럿 보증만을 제공합니다.

최종 판결

그렇다면 최종 점수는 어떻게 될까요? 연구는 현재로서는 TOPCon 실리콘 기술이 대규모 태양광 발전소의 비용 효율성 측면에서 왕좌를 차지하고 있으며, HJT는 열을 더 잘 견디기 때문에 더운 기후의 챔피언이라고 결론짓습니다. 백 컨택(BC) 셀은 그림자 없이 빛을 포착하는 데 탁-월합니다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤은 가장 높은 잠재적 속도를 가진 "미래의 챔피언"이지만, 아직 결승선을 통과하지는 못했습니다. 저자는 탠덤 셀이 시장을 장악하기 위해서는 제조 비용이 0.15~0.18 USD/Wdc 미만으로 떨어져야 하며(현재는 이보다 훨씬 높음), 30년 동안 요소들을 견뎌내며 전력을 잃지 않을 수 있다는 것을 증명해야 한다고 제안합니다. 그때까지는 신뢰할 수 있고 검증된 실리콘 주자들이 오늘날 태양광 발전소를 짓는 데 있어 여전히 최선의 선택입니다.