친환경 페로브스카이트 개발 현황: 납 제거 기술의 최신 동향

1. 주석 기반 소재의 혁신적 발전

페로브스카이트 태양전지의 상용화를 가로막는 핵심 장애물인 납(Pb)의 독성 문제를 해결하기 위해 주석(Sn) 기반 소재 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 국내 연구진은 주석과 세슘(Cs)의 조합을 최적화해 무기물 기반 비납계 페로브스카이트 태양전지를 구현하며, 최고 11.87%의 효율을 달성했습니다. 이는 기존 납 기반 소재의 효율(25% 이상)에 비해 낮지만, 독성 제거와 환경 안전성 측면에서 큰 의미를 지닙니다.

광주과학기술원(GIST) 연구팀은 주석 페로브스카이트 소재의 결정성 결함을 극복하기 위해 황(S) 원소 도핑 기술을 개발했습니다. 페로브스카이트 표면에 황을 포함한 고분자 물질을 도입함으로써 주석 이온의 산화수를 조절하고, p형 반도체 특성을 강화하는 데 성공했습니다. 이 기술은 전하 운반체 이동을 원활하게 하여 재결합 손실을 억제하며, 박막 트랜지스터 응용 가능성을 열었습니다.

주석 기반 소재의 핵심 과제는 산화 안정성입니다. 주석은 공기 중에서 쉽게 산화되어 성능이 저하되는데, 이를 해결하기 위해 다층 보호막 기술과 표면 패시베이션 기법이 연구 중입니다. 예를 들어, 유기-무기 하이브리드 구조를 형성하거나 나노 입자 수지로 캡슐화하는 방법이 제안되었습니다.

서울대학교 연구진은 주석 페로브스카이트의 산화를 방지하기 위해 2D-3D 계층 구조를 설계했습니다. 2D 층이 3D 결정을 외부 환경으로부터 차단하는 방식으로, 이 구조는 1,000시간 이상의 장기간 안정성을 입증하며 산업적 적용 가능성을 높였습니다. 또한, 전자 빔 증착법을 이용해 주석 페로브스카이트 박막의 결함 밀도를 60% 이상 감소시키는 공정 기술도 개발되었습니다.

2. 생체 독성 저감 연구 동향

페로브스카이트의 생체 유해성은 주로 납의 누출에서 비롯됩니다. KAIST 연구팀은 실록산(siloxane) 수지를 이용해 페로브스카이트 나노 입자를 캡슐화함으로써 납의 유출을 방지하는 기술을 개발했습니다. 이 소재는 물에 600일 이상 담겨도 분해되지 않으며, 고온·고습 환경(85℃, 85% 습도)에서도 안정성을 유지합니다.

세포 친화성 평가에서 실록산 캡슐화 구조는 독성 물질의 확산을 차단해 생체 적합성을 입증했습니다. 이는 페로브스카이트를 의료용 센서나 생분해 가능한 전자소자로 확장 적용할 수 있는 기반 기술로 평가받습니다. 연세대학교 팀은 인간 폐세포(A549)와 신경세포(SH-SY5Y)를 이용한 실험에서, 납 제거 페로브스카이트가 기존 대비 90% 이상 독성이 감소함을 확인했습니다.

또한, 납 재활용 기술도 주목받고 있는데, 상온에서 비양자성 극성 용매를 이용해 폐기된 태양전지에서 납 성분을 분리하는 방법이 연구되고 있습니다. 한국화학연구원은 친환경 리간드(ligand)를 활용한 선택적 추출 기술을 개발해 납 회수율 95%를 달성했으며, 이 과정에서 발생하는 2차 폐기물을 최소화하는 데 성공했습니다.

3. 기술적 과제와 미래 전망

현재 비납계 페로브스카이트의 효율은 납 기반 대비 약 50% 수준이지만, 다양한 원소 조합 실험과 결정 구조 제어를 통해 점진적으로 개선되고 있습니다. 예를 들어, 이원계 금속 조성(Sn-Ge, Sn-Zn)이나 할로겐 이온 치환(Br-I 혼합) 기법이 효율 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.

탠덤 구조는 또 다른 돌파구로, 페로브스카이트 층을 실리콘 태양전지 위에 적층해 이론적 효율 35% 이상을 목표로 하는 연구가 진행 중입니다. 특히 주석 기반 페로브스카이트는 실리콘과의 밴드갭 조화가 우수해 상업적 적용 가능성이 높습니다. EU의 Horizon 2020 프로젝트에서는 실리콘-페로브스카이트 탠덤 모듈의 실증 테스트를 진행 중이며, 2030년까지 시장 출시를 목표로 하고 있습니다.

상용화를 위해서는 대면적 제조 공정 표준화가 시급합니다. 스핀 코팅 대신 잉크젯 프린팅이나 롤투롤 방식을 도입해 생산 비용을 절감하는 방안이 검토되고 있으며, 국내 기업들은 유연 기판에 페로브스카이트를 직접 도포하는 기술을 개발 중입니다. 한국에너지기술연구원은 30cm × 30cm 크기의 유리 기판에 균일한 박막을 형성하는 롤투롤 장비를 선보이며 양산 기술의 초석을 마련했습니다.

4. 환경 규제와 시장 동향

유럽의 **RoHS(Restriction of Hazardous Substances)**와 같은 국제 규제는 전자제품 내 납 사용을 엄격히 제한하고 있습니다. 이에 따라 글로벌 기업들은 비납계 페로브스카이트 기술 확보에 총력을 기울이고 있습니다. 파나소닉은 주석-게르마늄(Sn-Ge) 조합 소재를 적용한 모듈을 개발 중이며, 한화큐셀은 무독성 페로브스카이트를 건물 외벽 태양광 시스템에 접목하는 실증 사업을 추진하고 있습니다.

소비자 인식 변화도 시장 확대에 기여하고 있습니다. 2023년 미국 소비자 조사에 따르면, 태양전지 구매 시 효율보다 환경 안전성을 우선 고려하는 비율이 40% 이상으로 나타났습니다. 이는 친환경 페로브스카이트의 수요가 지속적으로 증가할 것임을 시사합니다.

5. 결론: 지속 가능한 에너지로의 진화

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 기술의 한계를 넘어 저비용·고효율 청정 에너지원으로 자리매김할 잠재력을 가지고 있습니다. 주석 기반 소재와 생체 독성 저감 기술의 발전은 환경 규제 강화 시대에 필수적인 요소이며, 이를 통해 건물 일체형 태양광(BIPV)이나 웨어러블 전자제품 등 새로운 시장이 창출될 전망입니다.

2025년 기준으로, 비납계 페로브스카이트의 실험실 수준 효율은 15%를 돌파했으며, 양산 기술 개발은 본격화 단계에 접어들었습니다. 연구계와 산업계의 협력을 통해 상용화 장벽을 넘어선다면, 페로브스카이트는 재생 에너지 생태계의 게임 체인저가 될 것입니다. 이 기술이 보편화된다면, 태양광 패널의 제조 비용은 현재 대비 30% 이상 절감될 것으로 예상되며, 폐기물 관리 부담도 크게 감소할 것입니다.