[UNIST, 수출형 연구로 K-사이언스 선도] <4>유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지

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UNIST가 개발한 페로브스카이트 태양전지 셀.
<UNIST가 개발한 페로브스카이트 태양전지 셀.>

페로브스카이트는 상용화에 가장 근접한 것으로 평가되는 차세대 태양전지 소재다.

석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수는 세계 광전 효율 기록을 네 차례나 경신했다. 최근에는 광전 효율이 22.1%에 이르는 페로브스카이트 태양전지 셀을 개발했다. UNIST가 페로브스카이트 태양전지를 수출형 연구 브랜드로 선정, 집중 지원하는 이유다.

UNIST는 '유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지'를 상용화해서 차세대 에너지 시장을 선도한다는 계획이다.

페로브스카이트는 양이온 2개와 음이온 1개를 결합한 3차원 결정 구조다. '유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지'는 양이온 자리에 납을 비롯한 금 무기물과 유기물, 음이온 자리에 할로겐화물을 각각 넣는다. 기존 실리콘 기반 태양전지의 광전효율, 공정 난도, 가격 경쟁력 문제를 뛰어넘을 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

UNIST는 석 교수의 연구 성과로 '유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(이하 페로브스카이트) 광전효율 22.1%를 달성, 실리콘 태양전지(이하 실리콘) 효율에 근접했다. 실리콘의 현재 광전 효율은 25.3% 수준이다. 이론상으로는 34%까지 가능하다.

UNIST는 페로브스카이트의 현재 효율을 25%, 1000시간의 내구성은 3000시간으로 각각 높여서 상용화에 이른다는 목표를 세웠다.

현재 12명의 교수가 효율 향상, 신소재 개발, 응용 확산 등 분야별로 연구를 진행하고 있다.

석 교수는 미국 재생에너지연구소(NREL)가 공인한 22.1%의 광전환 효율 기록 확보를 토대로 박막 할로겐화물 개선, 공정 방식 보완 등에 관한 연구 성과를 네이처·사이언스에 연속 게재했다. 또 지난해 프런티어에너지솔루션(FES)을 설립, 실험실 연구 성과를 상용화 기술 개발에 이어 가고 있다.

UNIST의 페로브스카이트 태양전지 셀 효율 향상 연구 모습.
<UNIST의 페로브스카이트 태양전지 셀 효율 향상 연구 모습.>

김진영 교수는 최근 알루미늄 전극을 적용해 원가 절감에다 안정성도 높일 수 있는 연구 성과를 발표, 조기 상용화 기대감을 높여 주고 있다.

최경진 교수는 페로브스카이트와 실리콘 결합한 탠덤형 태양전지를 연구한다. 이들 2개 전지 소재를 다중 접합해 25% 이상, 최대 35%까지 달성하는 것이 목표다.

이상영 교수는 태양전지-리튬전지 일체형 모바일 전원, 서관용 교수는 후면 전극을 통한 에너지 손실 감소 연구를 각각 진행하고 있다.

그러나 장시간 사용할 수 있는 내구성 개선, 납을 비롯한 중금속 대체 물질 개발 등 상용화 과제는 아직 남아 있다.

UNIST는 내년에 '페로브트로닉스 연구센터'를 개소해 페로브스카이트를 기반으로 하는 태양전지, 열전소자, 발광다이오드(LED) 등 소재·소자 개발과 이를 활용한 디바이스의 상용화 연구 수준을 한 단계 높일 계획이다. 유럽 최대 연구소인 헬름홀츠율리히연구소와 공동 연구센터를 설립, 탠덤형 태양전지를 비롯한 '태양광 발전 실용화' 연구에도 착수한다.

석상일 교수는 “세계 태양전지 시장은 2020년을 전후로 200조원 규모까지 성장할 것으로 전망된다”면서 “수출형 연구 브랜드 육성 프로젝트를 통해 전체 시장에서 UNIST의 페로브스카이트 태양전지의 점유율을 10%까지 높여 가겠다”고 의욕을 다졌다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com