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실리콘 태양전지 대체할 ‘페로브스카이트’, 상용화 또 한 걸음 '성큼'

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실리콘 태양전지 대체할 ‘페로브스카이트’, 상용화 또 한 걸음 '성큼'

2021.04.06 00:00
UNIST-에기연 연구팀, 실리콘 태양전지 효율 근접 세계 최고 효율 경신
연구진이 이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지를 들어보이고 있다. UNIST 제공.
연구진이 이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지를 들어보이고 있다. UNIST 제공.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고 효율을 경신했다. 서장원 한국화학연구원 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 지난 2월 24일 국제 학술지 ‘네이처’에 논문을 통해 발표한 효율 25.2%를 뛰어넘는 25.6%의 효율을 달성한 것이다. 

 

울산과학기술원(UNIST)은 김진영 UNIST 에너지화학공학과 교수와 김동석 한국에너지기술연구원 책임연구원 연구팀이 스위스 로잔공과대학(EPFL) 연구진과 공동으로 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 달하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 5일 밝혔다. 국제 학술지 ‘네이처’ 5일자(현지시간)에 발표된 이번 연구는 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고 효율이다. 

 

페로브스카이트는 2개의 양이온과 1개의 음이온이 결합해 규칙적인 결정구조를 갖는 물질이다. 결정구조가 자연광물인 페로브스카이트를 닮아 유사한 결정구조를 지닌 물질을 페로브스카이트로 부른다. 화합물 구성 원소를 바꿔 다양한 페로브스카이트 물질을 만들 수 있다. 

 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질이 빛을 흡수해 빛을 전자(음전하)와 정공(양전하)으로 나뉘어 이들이 이동할 때 전기가 발생하는 원리를 이용한다. 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 소재가 값싸고 저온 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있어 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 실리콘 태양전지의 최고 효율은 26.7%로 과학자들은 이와 유사한 효율 수준을 내는 페로브스카이트 물질 연구를 하고 있다. 

 

연구진은 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 끌어올렸다. 음이온 일부를 ‘포메이트’라는 물질로 교체하는 방식으로 효율과 내구성을 향상시켰다. 포메이트는 페로브스카이트의 2개의 양이온 중 하나인 금속 양이온과 결합력을 강화하기 때문에 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다. 포메이트를 통해 결정성이 우수한 소재를 쓰면 태양전지의 효율이 높아진다. 

 

김동석 한국에너지기술연구원 책임연구원팀은 이번 연구에서 전지 제작을 담당했다. 이번에 개발한 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀을 설계하고 제작했다. 

 

김진영 교수는 “포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온의 자리에서 주위 원소들과 상호작용할 수 있다는 점을 세계 처음으로 규명했다는 점에서 학문적 의미도 크다”며 “이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 밝혔다. 

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