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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.
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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