전자수송층·페로브스카이트층 효율 향상···"1㎠소자 효율 23%"
[서울파이낸스 박시형 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트 태양전지'의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 핵심소재를 개발하는데 성공했다.
이는 빛을 전기에너지로 바꾸는 효율을 높이는 태양관 전지를 만들 수 있는 핵심 기술로, 지구 온난화에 따른 신재생에너지원 개발을 위한 경쟁에서 한국이 주도권을 잡는데 기여할 것으로 기대된다.
한국화학연구원은 서장원 박사이 25일 1㎠ 소자에서 세계 최고 수준인 23%의 광전변환효율을 페로브스카이트 태양전지(0.1㎠ 면적 기준)를 개발했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제학술지 '네이처'(Nature)에 이날 표지논문으로 게재됐다.
광전효율은 태양전지가 빛을 흡수해 전기로 바꾸는 비율로, 태양전지의 성능을 나타내는 지표가 된다.
페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조의 물질로, 저렴한 화학소재를 이용해 저온 용액공정으로 손쉽게 제조할 수 있다.
때문에 기존 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 후보로 주목받아 왔지만 빛을 전기로 바꿔주는 광전변환효율이 낮고 실제 환경에서 장기간 사용하려면 안정성을 더욱 높여야 하는 등 산업화를 위해서는 극복해야 할 과제가 많다.
연구팀은 이 연구에서 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이기 위해 전압과 전류에 영향을 미치는 전자수송층 소재와 페로브카이트층 소재를 개발했다.
태양전지 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물(SnO₂) 등을 바로 합성해 전자수송층을 형성하는 화학용액증착법으로 전자 이동(수송)을 방해하는 결함을 줄인 전자수송층 소재를 만들어 전지의 전압을 높였다.
또 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 페로브스카이트층 소재 합성법을 개발해 전류를 높였다. 페로브스카이트 결정구조로 이루어진 페로브스카이트층에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여 있는데, 적절한 브롬(Br) 비율을 찾아내 검은색 결정의 안정성을 높여 빛을 잘 흡수하게 한 것이다.
연구팀은 이들 소재로 제작한 페로브스카이트 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%의 광전변환효율로 2019년 9월 당시 미국신재생에너지연구소(NREL)의 공식인증 최고효율을 기록했다. 1㎠ 소자에서는 23%로 세계 최고 효율을 달성해 대면적화 가능성도 보여줬다.
태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나인 발광효율에서도 5~10%인 기존 페로브스카이트 태양전지보다 훨씬 높은 17%를 기록, 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등에도 적용될 수 있음을 처음으로 증명했다고 덧붙였다.
서장원 박사는 "25% 이상의 효율은 페로브스카이트 태양전지의 이론상 최고 효율의 80.5%에 해당한다"며 "앞으로 효율 향상이 좀 더 이뤄진다면 26% 이상 효율도 가능해 기존 실리콘 태양전지 최고효율(26.7%)에 근접할 수 있을 것"이라고 설명했다.
