2023년 4월 4일 기시다 후미오 총리는 재생에너지 및 수소 관련 각료회의에서 5월 말 목표로 수소 기본전략을 개정하도록 지시했다. 수소는 이용 시에 이산화탄소를 배출하지 않고 사실상 자원량이 무한해 '궁극의 클린 에너지'로 평가된다. 이번 수소 기본전략 개정은 많은 주목을 받는데, 본 고에서는 해당 회의에서 언급된 <페로브스카이트 태양전지>에 대해 다뤄보고자 한다. 

<기시다 정권이 제시한 재생 에너지/수소 보급 로드맵>

[자료: NIKKEI 신문]

우선, <페로브스카이트 태양전지>가 무엇인지 알아보자. 태양전지는 실리콘 계통, 화합물 계통, 유기 계통의 3가지 종류로 구분된다. 현재 보급된 태양전지의 95% 이상은 실리콘 계통으로, 그 외 유형은 일부 실용화가 이루어져 있지만 현 시점에서는 비용이나 성능 면에서 실리콘에 크게 뒤쳐져 이용 범위가 제한적이다. 이러한 가운데 유기계통인 페로브스카이트 태양전지가 차세대 태양전지로 주목받기 시작했다. 아래 표는 페로브스카이트 태양전지의 특징을 요약한 것인데, 쉽게 말해 "가볍고 유연하며 투명하고 게다가 저렴하다"는 것이다.

<태양전지의 분류 및 특징>

[자료: NIKKEI X Tech 자료에 기반해 KOTRA 도쿄 무역관이 작성]

<태양전지 분류>

[자료: 일본 자원에너지청]

<필름형 페로브스카이트 태양전지(좌)와 개발자 미야사카 츠토무 교수(우)

[자료: 세키스이화학, 슈프레 NEWS]

일본은 재생에너지 중 태양광 발전이 차지하는 비율이 높으며, 계속 증가세를 보이고 있다. 하지만 여기에는 넘어야 할 큰 장벽이 있는데 바로 입지 문제이다. 일본 자원에너지청의 자료에 따르면, 일본의 국토 면적당 태양광 설비 용량에서 세계 주요국을 크게 앞선다. 미국이나 중국처럼 국토가 넓지 않은 일본은 건물 벽면 등 기존 기술로는 태양광 패널 설치가 불가능한 장소를 활용할 필요가 있는데, 이로 인해 유연성이 높은 페로브스카이트 태양전지 개발이 주목받고 있다. 

<국토 면적당 태양광 설비 용량>

주: 섬나라이고 산간 면적이 넓은 일본의 환경 조건에서는 태양광 패널 설치 장소에 한계가 있음.

[자료: 일본 자원에너지청]

이에 더해 페로브스카이트 용도는 기존 태양광 패널의 단순한 대체재에 그치는 것이 아니라 차량, 항공기 외장, 스마트폰, 의복, 시계 등 웨어러블 디바이스, 비닐하우스 등 다양한 대상에서의 적용이 기대된다. 또한 페로브스카이트 태양전지는 단독(단접합) 사용 이외에도 다른 종류의 기존 태양전지와 적층하는 탠덤(2접합) 형태로 태양광의 넓은 파장에 대응해 시스템 전체 차원의 높은 변환효율을 노리는 것도 생각해 볼 수 있다. 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 계통 태양전지를 결합한 탠덤 셀 형태라면 변환효율 30%도 구현 가능하다고 한다.

마지막으로 페로브스카이트 태양전지에는 빼놓을 수 없는 이점이 하나 존재한다. 바로 페로브스카이트 주재료인 요소와 납을 모두 일본 내에서 수급 가능하다는 것이다. 따라서 희소금속 등 해외에서 고가로 수입해야 하는 재료가 불필요하다. 일본의 요소 생산량은 세계 2위(전 세계의 약 30% 점유)이고 매장량은 세계 전체 매장량의 2/3에 달한다. 최근 희소금속의 지정학적 리스크가 부각되는 상황에서 조달 리스크에서 해방될 수 있다는 점은 페로브스카이트 태양전지가 가져다주는 큰 메리트다.

일본 자원에너지청에 따르면 페로브스카이트 태양전지는 최근 7년 사이에 변환효율이 약 2배 가까이 향상됐는데, 이는 실리콘 계통 태양전지의 약 4배에 달하는 발전 속도다. 실용화·보급 양 측면에서 기존에 예상했던 것보다 페로브스카이트는 훨씬 가까이 다가와 있는 것일지도 모른다.

페로브스카이트 태양전지의 시장 규모는 일본의 경제 리서치기관인 후지경제의 조사에 따르면 2035년에 7200억 엔(2021년 대비 48배)까지 성장할 전망이다. 2022년 이후로 본격적 양산에 들어갈 것이며, 특히 기존 태양전지로부터 유발되는 옥외용도 대체 수요는 잠재적 시장 잠재력이 매우 높다고 한다. 향후 BIPA(Building-integrated photovoltaics. 건축물 일체형 태양광 발전)를 포함한 건축자재 용도, 그리고 기존 실리콘 계통 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 얹어 태양광 파장 흡수폭을 확대해 발전 효율을 높이는 탠덤 타입의 양산화가 이뤄진다면 시장 수요 확대는 더욱 탄력을 받을 전망이다.

<신형·차세대 태양전지 세계시장 예측>

[자료: 후지경제 <2022년판 신형/차세대 태양전지 개발동향 및 시장 장래성 전망>]

마지막으로 페로브스카이트 태양전지 상용화와 관련해 일본기업들은 어떤 움직임을 보이는지 살펴보자. 일본 경제산업성 및 NEDO(신에너지·산업기술 종합개발기구), 산총연(산업기술총합연구소) 등의 지원을 받아 가며 도시바, 세키스이화학공업, 카네카, 파나소닉 등의 기업이 개발 속도를 높여가고 있다. 세키스이화학공업은 JR 서일본이 2025년에 전면 개장 예정인 오사카 우메키타 지하역사 광장구역에 자사의 페로브스카이트 태양전지를 설치(일반 공용시설에 대한 설치 계획으로는 세계 최초)하는 등 치열한 경쟁이 펼쳐질 전망이다. 하지만 세계시장으로 눈을 돌릴 경우에는 태양광 분야에 거액 투자를 하는 중국 기업이나 유럽 기업이 양산화 측면에서 한발 앞서 나가고 있다. 

하지만 페로브스카이트 제조 비용은 이미 양산에 들어간 DaZheng Micro Nano Technology의 모델도 현재로선 실리콘 타입의 3배에 달한다. 세키스이화학 등의 관련 연구를 지원 중인 NEDO는 2030년까지 실리콘 타입과 동등 또는 그 이하 수준의 발전 비용을 실현하겠다는 목표를 내걸고 있다. 향후 관련 전망에 대해 후지경제의 가와이 요헤이 분석가는 "각 사가 양산 및 가격 경쟁에 필요한 수십억 엔 이상의 설비 투자를 장기적으로 지속해 나아갈 수 있는지가 관건"이라고 언론에 지적하기도 했다.

<페로브스카이트 태양전지 관련 일본 기업 리스트>

[자료: 각 언론사 자료를 종합해 KOTRA 도쿄 무역관에서 작성]

<미국 라스베이거스의 CES 2023 파나소닉 전시부스>

주: 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 태양전지(왼쪽 사진)의 '디자인 자유도'를 살린 나무 오브제다.

(오른쪽은 건물 창문에 설치된 페로브스카이트 태양전지의 이미지)

[자료: 파나소닉]

일본 정부는 국내 기업의 페로브스카이트 대량 생산을 지원하고 공공시설·역·학교 등의 도입을 통해 공급 초기 단계부터 수요 창출과 도입을 지원할 계획이다. 기존 태양광 패널은 거의 전량 중국산이기 때문에 차세대 모델의 국산화를 통해 중국 의존도를 낮추려는 의도도 있다. 기시다 총리는 "국산 재생에너지 도입 확대를 위해  페로브스카이트 대량 생산체제 구축에 대응하겠다"고 강조했는데, 구체적인 도입량 전망이 발표되면 페로브스카이트 사업은 더욱 탄력을 받을 것으로 보인다. 재생에너지분야의 게임 체인저가 될 페로브스카이트 태양전지의 실용화·양산이 어떻게 진행될지 앞으로 예의주시가 필요하다.  

자료: 세키스이화학, 스프리뉴스, NIKKEI신문, 자원에너지기구, 파나소닉, 닛케이크로스텍, KOTRA 도쿄 무역관 자료 종합