차세대 태양전지의 강력한 후보인 ‘페로브스카이트(perovskite) 태양전지’의 효율이 22.1%까지 높아졌다. 석상일 울산과학기술원(UNIST) 특훈교수가 세계 최고 효율을 또 갱신한 것으로 페로브스카이트 태양전지의 조기 상용화에 대한 기대감이 커지고 있다. 석 교수는 특히 한국 과학자 최초로 세계적 학술지인 ‘사이언스(Science)’에 1년에 2회 발표되는 영광을 안아 의미를 더하고 있다.

UNIST와 한국화학연구원은 세계 최고 효율의 ‘무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’ 기술을 개발했다고 27일 밝혔다. 이번 연구는 석상일 UNIST 에너지 및 화학공학부 특훈교수(화학연 학연교수)가 주도하고 노준홍 화학연 겸임연구원(고려대 교수), 김은규 한양대 교수가 공동교신저자로 참여했다.

이 기술의 핵심은 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 떨어뜨리는 것으로 알려진 할로겐화물의 결함을 잡은 것이다.

석 교수는 “기존 최고 인증 효율 20.1%를 22.1%로 향상시킬 수 있는 기술”이라며 “미래 태양전지로 주목받는 저비용·고효율 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 높였다”고 강조했다.


페로브스카이트는 양이온과 음이온, 할로겐화물(또는 산화물)이 독특한 결정 구조를 가진 물질이다. 이런 물질을 태양전지에 적용해 전기를 생산하는 소자가 ‘무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’다. 이 전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 쉽게 만들 수 있으며 광전변환 효율도 22% 이상으로 높다. 이 덕분에 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있다.

석 교수는 “태양전지의 성능은 태양광에서 전기적 에너지로 변환 손실을 발생시키는 소재 내부의 결함을 줄이는 게 핵심”이라며 “페로브스카이트 태양전지는 할로겐화물을 이용하는데 이 소재의 결함을 획기적으로 줄이는 방안을 이번 연구로 제시하고 세계 최고 효율을 구현했다”고 설명했다.

공동교신저자인 노준홍 겸임연구원은 “이 결함 제어 기술은 향후 광전소자로 높은 잠재력을 갖는 할로겐화물의 물성을 제어할 수 있는 핵심기술로서 큰 의미가 있다”고 평가했다.

태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 낮은 가격으로 제작 가능해 많이 연구됐던 유기 및 염료감응 태양전지 등은 여전히 효율이 낮아 대규모로 상용화하기 어렵다. 지난 2012년부터 본격 연구된 ‘무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’는 짧은 역사에도 불구하고 상용화된 실리콘 태양전지와 박막형 태양전지의 효율에 근접하는 성능을 보이고 있다.

/울산=장지승기자 jjs@sedaily.com