최근에 "페로브스카이트"에 대한 리포트가 많이 나오는 것 같다.
페로브스카이트에 대한 인뎁스 리포트 3개를 소개한다.
* 태양전지 3세대 (NICE 평가정보)
* 페로브스카이트, 몇가지 물음에 대한 전망 (현대차증권)
consensus.hankyung.com/apps.analysis/analysis.downpdf?report_idx=571932
* 3세대 태양광 “페로브스카이트”, 세상을 바꾼다 (흥국증권)
www.heungkuksec.co.kr/www.heungkuksec.co.kr/research/company/view.do?key=11669
* 태양광 - 페로브스카이트 세미나 후기 및 Q&A (흥국증권)
www.heungkuksec.co.kr/research/company/view.do?key=11691
아래는 페로브스카이트에 대해 쉽게 설명한 유튜브이다.
* <유튜브 > 태양전지?! 저런 태양전지가 가능하다고? 페로브스카이트?! [안될과학 -랩미팅 5화]
www.youtube.com/watch?v=g-9CnIta0JA
3개의 인뎁스 리포트 중 흥국증권 리포트 내용 일부를 아래에 정리한다.
페로브스카이트(PSC) 기술의 경쟁력
1) 태양광 효율: 이미 광전효율은 기존 폴리실리콘 Cell과 대등
PSC는 2009년에 태양광 셀로 적용되는데 성공했으며, PSC 적용 Cell의 광전효율은 3.8%(2009년) => 9.7%(2012년) => 25.2%(2019년)으로 개선 되었다.
지난 60년간 개발된 폴리실리콘 Multi Cell (23.4%)을 상회, 현재 고효율 태양광 Cell로 사용되는 Mono Cell(26.1%)에 근접한 수치이다.
참고로 폴리실리콘 Cell은 이론적인 최대 광전효율에 근접했는데, PSC Cell은 이론 광전효율이 30.5%로 기술 개선이 진행중이다.
2) 원가 경제성: 원가는 기존 폴리실리콘 Cell 대비 1/3~1/8 수준
PSC Cell의 원가가 저렴한 이유는 가공 온도가 낮고, 얇아 원재료가 적게 들어가기 때문이다.
- 유틸리티 비용(↓↓): 폴리실리콘 업체들의 전기요금은 생산원가의 50%에 육박한다.
고품질 폴리실리콘은 결함 최소화를 위해 1000’C에서 가공해야 하기 때문이다.
반면 PSC Cell 전기료는 가공법에 따라 130~200’C, 400’C에서 가공 가능하다.
- 원재료 비용(↓↓): PSC는 폴리 Cell 대비 전자(electron) 이동이 쉬워 20~500배 얇게 생산 가능하다.
그만큼 톤당 유틸리티/원재료 비용이 적게 들어간다.
낮은 유틸리티비용/제품무게 때문에 높은 기술력만 확보된다면, 폴리실리콘에서 경험했던 패권 싸움에서 밀릴 일이 없다.
* 태양광은 “제조비와 효율성”의 싸움인데, 개인적으로 원가 경제성이 가장 중요하다 판단한다.
고가의 반도체/폴리실리콘을 3~4겹으로 쌓는 Multijunction Cells의 경우, 광전효율을 47.1%(2019년)까지도 높일 수 있지만 현실적인 비용 문제로 범용 Cell 2~3기를 설치하는 것이 이익이다.
3) 충분한 면적: 상식을 뒤엎는 면적 사용
PSC 태양전지는 얇고 가볍다.
또한, 올바른 공정 후 적당한 표면에 코팅을 하면 사용 가능하다.
말처럼 쉬운 공정은 아니겠지만, 2021년을 시작으로 다양한 표면에 사용될 것으로 전망된다.
- 1단계는 기존 태양광 설비에 (PSC/폴리 텐덤) 2겹으로 추가돼 광전효율을 개선시키고 건물의 창문/벽에 사용될 것이며, 2단계는 자동차 Sun-Roof 및 핸드폰 뒷면, 3단계는 자동차 외관에 코팅되어 자가 발전하는 자율주행 차량 생산이 가능해진다.
또한, PSC(ABX3) 구조의 물질을 변환, 3~4회 중첩하는 “Multijunction Cell”을 발전소, 건물, 자동차, 휴대폰 등에 적용할 수 있다.
무한한 전력이 생산되는 시대가 오는 것이다. *단계는 흥국증권 제시
페로브스카이트(PSC) 기술의 발전
Perovskite 정의 및 연구 진행
▶ Perovskite 란?
1893년 러시아 우랄 산맥에서 처음 발견된 산화 칼슘 티타늄(Calcium Titanium Oxide) 광물이다.
미국/스위스/스웨덴/독일 등에서 채굴되고 있으며, 지역별로 PSC의 화학적 구성이 다르다.
ABX3(양 이온 A, B와 음이온 X가 1:1:3으로 결합한 격자 구조) 형태의 광물을 페로브스카이트라 통칭하며, A/B/X에 어떤 원소를 적용하느냐에 따라 성능이 달라진다.
PSC는 1) 부도체/반도체/도체/초전도 성질을 보이며 2) 얇고 유연한 성질을 가진다.
특수한 물성 때문에 태양광, LED, 메모리, 센서 등에 적용하기 위해 연구가 진행되고 있다.
기존 폴리실리콘 공정에는 1000’C 이상의 열처리가 필요했지만, PSC는 적정 물질 조성 후 코팅만 하면 만들 수 있다.
이에, 기존 실리콘 태양전지보다 제조 단가를 20% 이상 낮출 수 있는 것이다.
단, PSC는 수분에 노출될 경우 결정구조가 변해 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.
▶ 연구 진행(2009~20년)
1) 2009년(3.8%): Miyasaka 교수 연구진은 염료 대신 페로브스카이트 물질을 사용하여 3.8%의 효율을 얻는데 성공했다.
그러나 이 소자는 액체 전해질이 페로브스카이트 물질을 녹여버리는 문제점을 지니고 있었다.
2) 2012년(9.7%): 성균관대 박남규 교수 연구팀은 Solid State PSC Solar Cell을 개발해 수분과 결합시 PSC가 분해되는 것을 막았다.
이로 인해 사용시간이 늘어났고, 이 공로로 지난 2017년 노벨상 수상 유력 후보에 오르기도 했다.
3) 2019년 7월: 한국과학기술연구원 김태욱 박사팀과 이상현 전남대 교수팀과 함께 납을 사용하지 않고 페로브스카이트를 합성하는 방법을 개발했다.
기존에는 나노 구조의 성능 극대화를 위해 납이 사용되었으나, 연구팀은 고품질/균일성/독성제거를 위해 희토류 이터븀(Yb)을 사용했다.
4) 2019년 8월(25.2%) 한국화학연구원과 메사추세츠공대 연구팀은 공동 연구를 통해 2019년 8월 25.2%의 세계 최고 광전변환효율을 얻었다.
5) 대면적 PSC 모듈 전쟁: 2019년 11월, 유니테스트가 14.8% 효율 인증하며 1위 => 2020년 1월 파나소닉+NEDO가 대면적(802㎠) 광전효율 16.1%을 달성하며 1위 쟁탈했다.
대면적 기술은 모듈 제작비용을 낮추며, 분사형 방식을 사용하는 경우, 곡선에 PSC를 적용할 수 있어 Application이 다양해 진다.
텐덤 태양전지
텐덤 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양광 전지에 PSC를 한겹 더 씌우는 방식이다.
쉽게 생각하면 반투명하고 얇은 PSC에서 태양열을 흡수하고, 나머지를 폴리실리콘층에서 흡수하는 것인데, 이게 가능한 이유는 PSC와 폴리실리콘이 흡수하는 “빛의 파동”이 다르기 때문이다.
새로운 기술은 아니다.
1970년대부터 이미 텐덤(Mulijunction) Cell을 개발했지만, 당시에도 8만 USD에 이르는 가격 문제로 상업화가 불가능 했다.
현재 Multijunction Cell은 47.1% 수준이다.
PSC/폴리실리콘 텐덤 연구가 활발한데, PSC가 싸고, 기존 폴리실리콘 모듈/시스템이 기술적으로 완성되어있기 때문이다.
전선회로나 설치비용 등 공통비 분배할 수 있게 되어 효율적이기도 하다.
현재 PSC/폴리 텐덤 Cell의 광전효율은 29.1%에 달한다.
텐덤 태양전지로 인해 1) 태양광 시장은 확대, 2) PSC 상용화도 가속화 될 것이다.
국내에서는 한화솔루션, 유니테스트, 동서발전, 신성이엔지 등이 개별적 및 국책 과제로 텐덤 태양전지를 개발중이다
문제점과 해소. 너무나 발전이 빠른 이유
전세계 과학계는 페로브스카이트가 8년만에 폴리실리콘 Cell이 100년동안 이룬 광전효율을 따라잡은 것에 대해 감탄하고 있다.
개인적으로도 처음엔 매우 놀라웠지만, 한편으론 충분히 가능한 결과라 생각된다.
태양광 산업에 대한 투자금이 늘었으며, PSC 실험 환경이 폴리실리콘 대비 대중적이고 투자비가 적다는 점도 여러 대학/기업들의 연구를 가속화 시킨 것이다.
같은 이유 때문에 남아있는 문제점들도 빠르게 해소될 것으로 전망한다.
▶ 문제점과 해소 과정
1) 수명:
수분에 약한 점이 지난 10년간 PSC의 가장 큰 문제점이었다.
업계에서는 Solid-State PSC 개발 및 첨가물 변환으로 태양전지 상용화를 앞당기고 있다.
최근 발표되는 PSC Cell들은 대부분 1,000시간(~10,000시간)의 물성 안정성을 가지고 있다.
심지어 2020년말 상업 개시하는 OXFORD PV의 CTO는 25년간 사용가능 할 수 있도록 물성 엔지니어링을 할 수 있다고 발표했다.
2) 대형화 및 대량 생산:
대부분 Lab 단계에서 PSC 용액을 “Spin-Coating”하는 방식으로 생산되는데, 이는 1㎠ 수준으로 상업화가 어렵다.
상업화를 위해서는 800㎠ 이상의 대면적 크기의 셀을 제조해야 하는데, 이는 “Spray-Painting” 기술이 필요하다.
파나소닉(일)과 유니테스트(한) 등이 현재 기술을 보유하고 있고, 대면적 Cell 생산 시, 광전효율이 16% 수준인 것으로 파악되고 있다.
OXFORD PV는 올해말 가동될 텐덤 태양전지에 집중하고 있으며, 15.6cm x 15.6cm 크기 Cell의 광전효율을 기존 폴리(20~22%)를 => PSC/폴리 텐덤(30% 이상)으로 목표 하고 있다.
장기적으로는 3회 중첩 “Multijunction Cell”(PSC/PSC/폴리)을 통해 광전효율 40%를 꿈꾸고 있다.
3) 납 사용:
현재 ABX3 구조의 B부분에 납을 사용하고 있는데, 인체에 해로운 물질이다 보니 우려가 있다.
이는 Tin(주석), Na(나트륨), Bi(비스무트) 등으로 대체하는 연구를 진행중이며, 매우 적은 양인데, 이마저도 납 회수 기술이 정점에 있다.
2020년 8월, 세계 PSC 연구 대학교들이 연합해(한국 5개, 스웨덴, 영국, NREL) PSC 납 회수 기술력을 99.7%까지 끌어 올렸다.
Perovskite가 바꿀 시장의 판도 (개인 의견과 산업 변화)
애널리스트 개인적으로, Perovskite의 연구 성과에 대해 공부하며 느낀점은?
세계 PSC 최고 권위자 중 하나인 서장원 화학연구원은, 페로브스카이트의 상업화에 대해 설명하며 “자동차 반도체 외에, 한국의 신 사업이 될 수도 있지 않을까?”라며 중요성을 강조 했다.
1) 원가 절감도 놀랍지만, 2) PSC 개발로 인한 태양광의 적용 범위가 무한한 것이 놀랍다.
3) 또한 중국 등 경쟁 국가와 기술력만으로 공정히 경쟁할 수 있는 미래 필수적 물질이라 생각되었다.
한명의 대한민국 국민으로서, 국가적으로 PSC 기술을 발전시켰으면 한다.
현재 한국화학연구원이 세계 광전효율 1위를 기록하고 있는데, PSC는 1) 가볍기 때문에 해외 수출이 용이하며, 2) 생산 시 전력비용이 낮기 때문에 기술력만 있다면 폴리실리콘 처럼 해외에 경쟁력을 빼앗길 이유가 없다.
에너지 독립국가를 넘어 에너지 수출/선도 국가가 될 수 있는 마지막 희망이다.
정말 태양광 발전으로만 전세계 전력을 충당할 수 있게 된다면?
PSC를 통해 꿈꾸게 된 세상은, 석유/석탄 에너지가 완전히 사라지고, 모두가 무료 전기를 누리는 것이다.
무료 전기는 생산성 확대를 의미하며, 로봇/자동화와 결합해 기본적인 “의식주”뿐만이 아니라 사치품까지 모두 해결해 줄 것이다.
그 시기도 Perovskite의 개발로 멀지 않아 보인다.
신병하 KAIST 교수는 “PSC 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기가 왔다”며 “다른 종류의 태양전지를 겹쳐 고효율 태양전지를 개발할 수 있음을 보여준 만큼, 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는데 도움이 될 것”이라 했다.
“주식” 관점에서 보는 Perovskite가 가져올 변화
유틸리티: 현재 35조의 모듈 시장에서 PSC/폴리 텐덤 발전의 확대가 예상된다.
기존 폴리 모듈은 계획대로 확대되고, 값싸고 질 좋은 PSC가 위에 얹혀 에너지 효율을 개선시키는 것이다.
PSC 단독으로, 혹은 PSC/PSC 텐덤 발전이 크게 활성화 되기 전까지는 폴리실리콘도 사용될 것이다.
오히려, 텐덤 태양광 발전 효율이 비약적으로 발전하여 석탄/가스/풍력 신규 에너지 수요를 빼앗아 올 가능성이 높다.
즉, PSC(↑↑) 및 폴리실리콘(↗) 시장이 확대될 것으로 전망한다.
실적 전망: 흥국증권은 2023년 글로벌 PSC 모듈 시장은 매출액/영업이익 14.7조/4.8조원(OPM 33%)으로 급한 성장을 전망한다.
2025년 매출액/영업이익은 43.4조/14.3조원(33%)을 전망한다.
세계 PSC 모듈 매출은 기존 태양광 발전에 안정적인 텐덤형이 추가되며 빠르게 확산될 전망이다.
낮은 원가 및 텐덤 시 줄어드는 효율을 감안, ASP는 기존 폴리 모듈의 50%로 가정했다.
OPM은 33% 수준을 예상한다.
혁신 소재이며, 원가 대비 효율성을 감안, 생산자 우위 시장이기 때문이다.
다만, PSC+폴리 텐덤을 세트로 구입하게 되기 때문에, 폴리 셀의 이익률은 급격히 줄어들 것이다.
현재 한국 기업들이 글로벌 태양광 모듈 시장에서 10% 이상을 점유하고 있으며, PSC 연구 1위인 점을 감안하면, 20% 수준의 시장 점유율을 기대할 수 있겠다.
국내에서는 한화솔루션이 10% 수준의 M/S를 차지할 것으로 기대한다.
기존의 태양광 점유율과 자체 개발중인 PSC 텐덤 기술 및 정부의 전폭적인 지원이 예상되기 때문이다.
유니테스트도 4% 수준의 M/S를 차지할 것으로 기대한다.
유니테스트는 사업화에 필수적인 PSC 대면적 생산기술을 보유하고 있으며, 그 수준도 Panasonic과 함께 글로벌 1~2위를 다투는 수준이다.
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