한국, 차세대 태양광 페로브스카이트 공식 비공식 최고효율 기록 획득

2021.02.25 01:00
화학연 연구팀 네이처 표지 논문...효율 25.2% 달성
한국화학연구원 제공
한국화학연구원 제공

국내 연구진이 실리콘 태양광 전지판 소재에 뒤를 이을 차세대 소재로 지목된 페로브스카이트 태양광 소재의 최고 효율을 다시 한번 끌어 올렸다. 현재 태양광 발전에 사용하는 실리콘 소재 효율에 근접해 대체 소재로서의 가능성을 한층 높였다는 평가가 나온다.

 

한국화학연구원은 서장원 화학소재연구본부 책임연구원과 신성식 선임연구원이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 효율을 25.2%까지 높이는 핵심 소재 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

 

연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 전자수송층 소재와 페로브스카이트층 소재를 개발하고 이를 통해 페로브스카이트 태양전지 효율을 높인 연구결과를 국제학술지 ‘네이처’에 표지논문으로 공개했다.

 

페로브스카이트는 부도체와 반도체, 도체 성질과 초전도 현상을 보이는 구조를 갖는 물질이다. 페로브스카이트 소재가 빛을 흡수해 빛을 전자와 정공으로 나누면 전자와 정공이 이동하는 과정에서 전기가 발생한다. 상용화된 실리콘 태양전지와 비교했을 때 값싼 소재를 활용하고 저온에서 용액공정을 통해 제조할 수 있어 주목받고 있다. 그러나 페로브스카이트는 상용 단계까지 가기엔 효율이 낮은 상황이다. 실리콘 태양전지는 오랜 기간 연구를 거쳐 26.7%의 최고효율을 갖고 있다.

 

한국화학연구원 제공
연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지의 모습이다.(왼쪽) 페로브스카이트는 금속 전극과 정공 수송층, 페로브스카이트층, 전자 수송층, 산화물 투명전극으로 구성된다. 페로브스카이트층에서 빛을 전자와 정공으로 변환하면 각각 수송층을 따라 이동하며 전기가 만들어진다. 한국화학연구원 제공

연구팀은 화학용액증착법을 이용해 새로운 전자수송층 소재를 만들었다. 화학용액증착법은 태양전지 구성층인 투명전극 위에 주석산화물을 바로 합성시켜 전자수송층을 만드는 기술이다. 연구팀은 전자수송층에 쓰이는 주석산화물 소재가 강한 산성에서 결함이 줄어드는 것을 발견해 결함을 줄인 전자수송층을 개발했다. 전자수송층 결함이 줄어들면 전자 이동이 쉬워져 전지 전압이 높아진다.

 

연구팀은 페로브스카이트층 소재도 빛을 더 흡수할 수 있는 형태로 합성했다. 페로브스카이트 층 소재는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 그렇지 못한 노란색 결정이 섞여있다. 연구팀은 페로브스카이트층에 브롬을 특정 비율로 섞으면 검은색 결정을 많이 확보할 수 있는 것을 알아내 새로운 소재를 합성했다. 전지가 빛을 더욱 흡수하면 흐를 수 있는 전자가 많아져 전류가 높아진다.

 

전압과 전류가 높아지면 전지의 효율이 높아진다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지 소재는 가로세로 약 3.1mm 면적인 0.1㎠ 소자에서 25.2%의 효율을 달성했다. 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 기록해 대면적화 가능성도 보였다. 서 책임연구원은 “이번에 보고한 25% 이상 높은 효율은 이론효율의 80.5%에 해당한다”며 “효율 향상이 더 이뤄지면 기존 실리콘 태양전지 최고효율에 근접할 것으로 기대한다”고 말했다. 페로브스카이트의 이론 효율은 31%로 예상된다.

 

2009년 페로브스카이트 태양전지가 처음 일본에서 공개된 이후 전 세계 연구자들이 효율을 높이는 연구에 뛰어들고 있다. 현재는 한국과 중국, 유럽 연구진이 최고 효율 자리를 놓고 경쟁하고 있다. 한국에서는 화학연 연구팀과 함께 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀과 박남규 성균관대 화학공학 및 고분자공학과 교수가 3파전을 이루고 있다.

 

이번에 개발한 페로브스카이트 소재의 효율인 25.2%는 전 세계 태양전지 효율을 비교하는 미국 국립재생에너지연구소(NREL) 차트에 2019년 9월 최대 기록으로 등재되기도 했다. 이는 논문을 발표하기 전 연구결과를 NREL에 보내 얻은 결과다. 현재는 석 교수팀의 25.5%가 이곳의 최고 기록이다.

 

NREL 제공
페로브스카이트 태양전지 최고효율(노란색 동그라미 꺾은선그래프)을 연도별로 표시한 표다. 한국화학연구원(KRICT)과 울산과학기술원(UNIST)가 가장 최근 최고 효율을 기록한 것이 보인다. NREL 제공

페로브스카이트는 상용화를 위해 대면적에서 효율을 확인해야 하고, 수분에 약한 단점 등 구조적으로 약하다는 문제를 해결해야 하는 것도 과제다. 서 책임연구원은 “페로브스카이트는 작은 단위소자에서 안정성에 대해서는 많은 부분이 해결되고 있다”며 “많은 연구자들이 연구를 하고 있어 학계뿐 아니라 산업계와 연관해 시너지를 내면 활용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

 

이번 연구에서는 페로브스카이트를 발광소자로 활용할 가능성도 확인했다. 빛을 전기로 바꾸는 것이 가능하면 반대로 전기를 빛으로 바꾸는 것도 가능하다. 하지만 페로브스카이트 태양전지 발광효율은 5~10%에 머물러 왔다. 하지만 이번에 소재를 개선하면서 연구팀은 발광 효율을 17%까지 높이는 데 성공했다.

 

신 선임연구원은 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다”며 “앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

 

서장원 한국화학연구원 책임연구원(박사)이 23일 오전 세종특별자치시 세종파이낸스센터 과기정통부 기자실에서 ′초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발′ 관련 브리핑을 하고 있다. 과학기술정보통신부 제공
서장원 한국화학연구원 책임연구원(박사)이 23일 오전 세종특별자치시 세종파이낸스센터 과기정통부 기자실에서 '초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발' 관련 브리핑을 하고 있다. 과학기술정보통신부 제공

 

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