서울시, 차세대 태양광 ‘탠덤셀’ 실증… 상용화 앞당길까

시사위크=박설민 기자  서울시가 태양광 신기술 보급을 위해 서울에너지공사, 한화큐셀과 손을 잡는다. 각 기관은 공동 연구를 통해 차세대 태양광 발전 기술을 실제 운영 환경에 적용, 성능과 내구성 등을 점검할 예정이다. 서울시는 실증 결과를 향후 태양광 보급 확대와 관련 제도 마련에 활용한다.

◇ 같은 면적에서 더 많은 전력… 도심형 탠덤셀 실증 착수

서울시는 21일 본청에서 서울에너지공사, 한화큐셀과 ‘태양광 신기술 실증과 보급 확대를 위한 업무협약’을 체결했다고 밝혔다. 협약식에는 윤재삼 서울시 기후환경본부장, 황보연 서울에너지공사 사장, 유재열 한화큐셀 한국사업부장이 참석했다.

이번 협력을 통해 실증하는 기술은 차세대 태양전지인 ‘탠덤셀(Tandem Cell)’이다. 탠덤셀은 서로 다른 특성 소재를 여러 층으로 쌓아 올린 태양전지다. 서로 다른 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 

기존 실리콘 태양전지 대비 발전효율이 높아진 것이 특징이다. 탠덤셀 중 가장 대표적인 기술은 ‘페로브스카이트 탠덤셀’이다. 실리콘 태양전지에 페로브스카이트(Perovskite) 소재를 적용한 것이다. 서로 다른 파장대의 빛을 흡수해 전기로 변환할 수 있는 장점이 있다.

페로브스카이트 탠덤셀은 기존 태양전지보다 발전효율과 에너지 저장 능력이 월등히 높다. 실제로 독일 프라운호퍼 태양에너지 시스템 연구소(ISE)에 따르면 탠덤셀은 기존 실리콘 상용 태양광 모듈 대비 전력 생산 효율이 22.7% 높았다. 연구소 최대 효율로는 35.5%까지 차이가 난다.

서울시는 이 탠덤셀을 건물 옥상, 주차장, 공공시설 등 제한된 공간을 효율적으로 활용해야 하는 도시 특성을 고려, 고효율 태양광 기술의 현장 적용 가능성을 선제적으로 확인한다는 방침이다. 

특히 이번 실증에선 이번 실증에서는 탠덤 태양광을 주차장 캐노피에 설치한다. 실제 운영 환경에서의 발전 성능을 확인하기 위함이다. 또한 동일한 조건에 설치된 기존 상용 태양광과 발전량 및 성능도 비교·분석한다.

세부적으로는 발전량, 전압, 전류 등 주요 운영 데이터를 지속적으로 수집해 시간대별·계절별 발전 특성을 분석한다. 기온과 일사량 등 기상 조건에 따른 발전효율 변화도 함께 확인해 서울의 기후와 도시 환경에 적합한지 검토한다. 또한 15년 이상 운영한 노후 태양광 설비를 탠덤 태양광으로 교체한다. 교체 전후의 발전 성능과 개선 효과를 분석한다. 기술 실증과 보급 확대는 서울에너지공사에서 맡아 진행한다.

윤재삼 서울시 기후환경본부장은 “도심에서는 태양광을 설치할 수 있는 공간이 제한적인 만큼, 같은 공간에서 더 많은 전력을 생산하는 고효율 기술이 중요하다”며 “이번 실증을 통해 탠덤 태양광의 발전 성능과 현장 적용성을 꼼꼼히 검증하고, 서울의 여건에 적합한 보급 모델을 마련하겠다”고 말했다.

◇ 고성장 기대되는 탠덤셀 시장… 상용화 관건은 ‘내구성’

이번 서울시의 탠덤셀 실증은 향후 국내 재생에너지 산업 활성화에도 긍정적 요소가 될 전망이다. 글로벌 시장조사업체 ‘포춘비즈니스인사이트(Fortune Business Insights)’에 따르면 전 세계 탠덤 태양전지 시장 규모는 2026년 약 3억9,003만달러(약 5,500억원)에서 2034년 약 61억7,784만달러(약 8조6,500억원)로 성장할 전망이다. 연평균 성장률은 41.24%에 달한다.

기술 보급도 점차 확대될 전망이다. ‘독일 기계설비산업협회(VDMA)’에서 발표한 ‘국제태양광기술로드맵(ITRPV)’ 2026년 보고서에 따르면 실리콘 기반 탠덤 태양전지는 2028년 전후 본격적인 양산 단계에 진입 중이다. 2036년에는 세계 태양전지 시장에서 17% 이상의 점유율을 차지할 것으로 예상된다. 이중 탠덤셀 기반 태양광 모듈 발전효율은 약 31%에 달할 전망이다.

글로벌 태양광 기업들도 기술개발과 상용화에 속도를 내고 있다. 영국 ‘옥스퍼드PV’는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 산업 생산 중이다. 2024년엔 미국 고객사를 대상, 세계 최초로 상업용 탠덤셀 모듈을 출하하기도 했다. 국내선 이번 실증에 참여하는 한화큐셀이 핵심 기술 기업이다. 2024년 대면적 탠덤셀에서 28.6%의 발전효율을 달성했다.

다만 탠덤셀의 본격적인 상용화를 위해서는 해결해야 할 기술적 과제도 적지 않다. 가장 큰 문제는 내구성이다. 페로브스카이트 소재는 높은 발전효율을 구현할 수 있다. 하지만 수분과 열, 자외선 등 외부 환경에 노출될 경우 소재가 변질되면서 발전 성능이 저하될 수 있다.

실제로 페로브스카이트 탠덤셀의 내구성 향상은 학계서도 중요 과제로 꼽힌다. 벨기에  반도체·태양광 연구기관 ‘IMEC’과 ‘하셀트대학교’ 연구팀은 지난 5월 국제학술지 ‘네이처(Nature)’에 발표한 연구를 통해 “페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해 생산 수율과 장기 안정성, 제조 경제성 등의 확보가 중요하다”고 지적한 바 있다.

다만 현재 대다수 탠덤셀 내구성 향상 연구는 실험실에서 진행됐다. 즉, 실제 야외 수명을 입증한 것은 아니다. 따라서 이번 서울시, 서울에너지공사, 한화큐셀의 실증사업은 이와 같은 탠덤셀 연구의 한계점을 보완하기 위한 중요한 데이터 확보에 큰 도움이 될 전망이다.

황보연 서울에너지공사 사장은 “탠덤 태양광은 한정된 도심 공간을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 차세대 태양광 기술”이라며 “이번 실증이 단순히 기술의 현장 적용 가능성을 확인하는 데 그치지 않고 향후 서울의 재생에너지 보급을 확대하는 기반으로 이어질 수 있도록 공사의 역할을 충실히 해 나가겠다”고 말했다.