태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 유망 그린에너지다. 최근 전 세계는 값싸고 효율 높은 차세대 박막 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다.
차세대 태양전지로 주목받아 온 염료감응형 태양전지는 저렴한 생산비가 장점이다. 반면에 에너지 변환효율은 기존 실리콘 태양전지의 절반 수준이어서 경쟁력이 낮았다. 염료감응형 태양전지의 낮은 변환효율은 사용하는 유기염료의 빛 흡수율이 떨어지기 때문이다.
이를 해결하고자 빛을 보다 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용한 고효율 박막 태양전지 개발이 시도되고 있지만 지금까지 최대 5~6%의 효율을 거두는데 그쳐 상용화에는 여전히 부족한 실정이다.
지난 18일 재료연구소가 마련한 소재융합 정기세미나에서 박남규 성균관대 교수(화학공학부)는 차세대 태양전지로 급부상하고 있는 ‘페로브스카이트 태양전지’ 연구개발 현황을 소개했다.
페로브스카이트 태양전지는 실리콘 대신에 값싼 무·유기물 결합 소재인 페로브스카이트(CH₃NH₃PbI₃)를 사용, 높은 효율과 낮은 단가를 실현한 신소재 태양전지이자 기술이다.
박 교수팀이 2012년 처음으로 개발한 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 공정 가격을 10분의 1 수준으로 낮춰 학계와 산업계의 주목을 받았다. 이 연구개발 성과는 그해 사이언티픽 리포트에 실렸다.
박 교수는 “페로브스카이트 소재를 사용한 태양전지는 저렴한 가격으로 태양전지를 만들 수 있다는 점에서 많은 주목을 받았지만 에너지 변환효율을 높이는 것이 숙제였다”며 “현재 실리콘 태양전지의 효율인 20% 전후로 근접하거나 그 이상일 때는 산업적, 경제적 파급 효과가 상당할 것”이라 설명했다.
이처럼 페로브스카이트는 매우 높은 흡광계수를 갖는 물질이다. 박 교수팀이 페로브스카이트를 사용해 태양전지를 개발했을 때 에너지 변환효율은 9.7% 정도였다.
박 교수는 “현재 변환효율 9.7%는 아무것도 아니지만 당시에는 비실리콘 태양전지 중 최고 수준의 효율이었고, 그래서 페로브스카이트를 이용한 태양전지 연구 개발의 기폭제가 됐다”고 말했다.
최근 페로브스카이트를 이용한 태양전지의 에너지 변환효율은 공인 17.9%, 비공인으로는 19.3%까지 국내외 연구진의 의해 보고된 바 있다.
박 교수는 “물에 잘 녹는 페로브스카이트의 특성에 따라 수분으로부터 이 소재를 보호하는 기술 개발 등 안정성 확보가 상용화 과제로 남아 있다”며 “에너지 변환효율은 세부 기술이 계속 개발되고 있어 내년에는 24%까지 달성될 것으로 예상한다”고 말했다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
