페로브스카이트 태양전지의 불안정을 잡는 봉지재 신소재

페로브스카이트(Perovskite) 태양전지는 차세대 광전 변환소재로 주목받고 있습니다. 기존 실리콘 태양전지보다 가볍고, 반투명하며, 제조 비용이 낮다는 장점을 가지고 있습니다. 그러나 습기, 열, 자외선 등에 쉽게 분해되는 특성 때문에 상용화에는 여전히 어려움이 있습니다.
이러한 불안정성을 해결하기 위해 최근 ‘봉지재(Encapsulation Material)’ 신소재 기술이 급격히 발전하고 있습니다. 봉지재는 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하는 역할을 하는 핵심 구조층으로, 장기 내구성과 효율 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 이번 글에서는 페로브스카이트 태양전지의 구조적 한계를 짚고, 봉지재 신소재가 이를 어떻게 극복하고 있는지를 구체적으로 살펴보겠습니다.

☀️ 페로브스카이트 태양전지의 불안정성 문제와 원인

 페로브스카이트 태양전지는 유·무기 하이브리드 결정 구조를 기반으로 하며, Pb(납), I(요오드), Br(브롬) 등의 할라이드 화합물이 주성분입니다. 이 물질은 광전 변환 효율이 25% 이상에 달할 정도로 우수하지만, 수분과 산소에 매우 민감하다는 치명적인 약점을 가지고 있습니다.

 태양전지 셀 내부의 페로브스카이트 층은 공기 중 수분이나 자외선에 노출되면 할라이드 분해 반응이 일어나면서 전하 이동 경로가 끊기고, 효율이 급격히 저하됩니다. 또한 고온 환경에서는 결정 구조가 변형되어 광열 안정성(photothermal stability) 이 떨어집니다.
 결국, 아무리 높은 초기 효율을 가지더라도, 장기 신뢰성이 확보되지 않으면 상용화는 불가능합니다.

이 문제를 해결하기 위해 봉지재가 도입됩니다. 봉지재는 태양전지를 둘러싸며 외부의 산소·수분·자외선·기계적 충격을 차단하는 보호막 역할을 수행합니다. 그러나 기존 실리콘 또는 유리 기반 봉지재는 유연성이 낮고, 열 변형에 취약하다는 단점이 있어, 새로운 고분자 복합소재의 필요성이 대두되었습니다.

 

🧪 봉지재 신소재의 개발 방향과 핵심 기술

 최근 연구자들은 기존 봉지재의 한계를 극복하기 위해 고분자 나노복합체(polymer nanocomposite) 및 불소계 방습 필름을 적극적으로 개발하고 있습니다. 이러한 신소재들은 미세한 분자 구조로 수분 확산을 억제하고, 동시에 투명성과 가공성을 유지할 수 있도록 설계되었습니다.

대표적인 예로, 에틸렌-비닐알코올 공중합체(EVOH) 기반 봉지재는 우수한 방습성과 접착성을 제공하지만, 자외선 안정성이 낮았습니다. 이를 개선하기 위해 최근에는 TiO₂ 나노입자, 실란계 커플링제, 불소계 중합체를 복합화한 하이브리드 봉지재가 등장했습니다.
 이 소재는 수분 차단률(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)을 10⁻⁶ 수준까지 낮추어, 상온에서 수년간 효율을 유지할 수 있는 수준의 보호 효과를 제공합니다.

또한, 유연한 전자소자용으로는 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 그래핀 코팅 필름을 결합한 구조가 사용되고 있습니다. 이러한 소재들은 투명도, 내열성, 인장 강도를 동시에 확보하여, 곡면형·웨어러블 태양전지에도 적용 가능합니다.
결국, 봉지재 신소재의 발전은 단순한 보호층의 개선을 넘어 페로브스카이트 셀의 실질적 수명 연장으로 이어지고 있습니다.

 

🌞 내구성 확보를 위한 구조적 혁신 – 다층 봉지 시스템

 최근 페로브스카이트 태양전지 연구에서는 단일 층 봉지재 대신 다층 구조(multilayer barrier) 기술이 각광받고 있습니다. 이 방식은 유기층과 무기층을 번갈아 적층하여, 수분이나 산소가 침투하는 경로를 물리적으로 차단하는 원리입니다.

예를 들어, SiNx/Al₂O₃/폴리머의 삼중 구조는 수분 확산을 막으면서도, 기계적 스트레스 완충 기능을 제공합니다. 이러한 다층 봉지 기술은 페로브스카이트 전지의 열적 안정성, 광열 내구성, 전기적 절연 특성을 동시에 향상시킵니다.
일부 연구에서는 나노입자를 균일하게 분산시켜 봉지재 내부의 미세 결함을 스스로 치유하는 자가복원(Self-healing) 기능까지 부여하고 있습니다.

 이와 같은 기술 덕분에 최근 보고된 페로브스카이트 전지는 85°C, 상대습도 85% 조건에서 1,000시간 이상 성능 유지라는 신기록을 세웠습니다. 이는 불과 몇 년 전까지만 해도 불가능하다고 여겨졌던 수준입니다.

 

🌍 상용화 가능성과 미래 전망

 봉지재 신소재의 발전은 페로브스카이트 태양전지를 실리콘 수준의 신뢰성으로 끌어올리는 핵심 기술로 평가받고 있습니다. 현재 일본, 한국, 독일을 중심으로 다수의 연구기관과 기업들이 봉지재 대량생산 기술을 확보 중이며, 고내열 투명 필름, 유연형 모듈용 봉지재, 자가치유형 하이브리드 보호층 등이 실용화 단계에 진입했습니다.

 특히 한국은 한화솔루션, SKC, 동진쎄미켐 등을 중심으로 태양전지용 고기능성 봉지재를 개발하고 있으며, 페로브스카이트·CIGS·유기 태양전지 등 다양한 차세대 광전소자에 적용할 수 있는 통합형 보호소재 연구가 활발합니다.

향후 봉지재 기술은 단순히 수명을 늘리는 역할을 넘어, 자체적으로 열을 방출하거나 전자를 차단하는 기능성 보호층으로 진화할 전망입니다.
결국, 봉지재 신소재는 페로브스카이트 태양전지를 실용화하는 ‘마지막 퍼즐’이며, 향후 10년 내에 이 기술이 상용화된다면, 인류는 더 가볍고 저렴하며 유연한 태양광 발전 시대를 맞이하게 될 것입니다.