서장원 화학연 박사의 차세대 태양전지 연구를 다룬 네이처 표지.국내 연구팀이 기존 실리콘 태양전지를 대체할 것으로 기대되는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 핵심 소재를 개발했다. 1㎠ 소자에서 세계 최고 수준인 23%의 광전변환효율을 달성한 것이다.
한국화학연구원의 서장원 박사팀은 25일 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 층 가운데 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재와 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 높였다고 밝혔다. 이 성과는 ‘네이처’에 표지 논문으로 실렸다.
페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조의 물질로 저렴한 화학 소재를 이용해 저온 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있다. 하지만 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 빛을 전기로 바꿔주는 광전변환효율이 낮고 안정성이 떨어지는 문제가 있다.
페로브스카이트 태양전지(왼쪽)과 구조페로브스카이트층.
서장원 화학연 박사가 과학기술정보통신부 기자실에서 높은 효율을 달성한 차세대 태양전지를 설명하고 있다.연구팀은 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. 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 페로브스카이트층 소재 합성법을 개발해 전류를 높였다. 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.
연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%의 광전변환효율로 지난 2019년 9월 당시 미국신재생에너지연구소(NREL)의 공식 인증 최고 효율을 기록했다. 1㎠ 소자에서 23%로 세계 최고 효율을 달성해 대면적화 가능성도 보여줬다. 발광효율도 5~10%인 기존 페로브스카이트 태양전지보다 훨씬 높은 17%를 기록해 디스플레이 등에도 적용될 수 있는 가능성을 입증했다. 서 박사는 “25% 이상의 효율은 페로브스카이트 태양전지의 이론상 최고 효율의 80.5%”라며 “앞으로 효율이 기존 실리콘 태양전지 최고 효율(26.7%)에 근접할 수 있을 것”이라고 설명했다.
/고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com
