화학연, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발...네이처 표지논문 게재

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우리 연구진이 페로브스카이트 태양전지 효율을 획기적으로 향상시키는 핵심 소재 개발에 성공했다.

이번 연구성과는 네이처지 표지논문에 선정돼 25일(한국시간) 온라인 발표됐다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 서장원 화학소재연구본부 박사팀이 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 효율을 극대화하는 소재 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조 물질이다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 소재가 저렴하고 저온 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있다. 그러나 기존보다 광전변환효율이 낮아 상용화가 어렵다.

개발 소재를 쓴 태양전지는 0.1㎠에서 25.2% 효율을 기록했다. 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성했다. 상용화 필수조건인 대면적화 가능성을 보였다.

전압을 높이는 전자수송층 소재, 전류를 높이는 페로브스카이트 층 소재를 개발·적용한 결과다.

첨가물과 표면처리 공정으로 합성된 페로브스카이트 박막, 특성이 향상된 페로브스카이트 박막으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, NREL 효율 차트에 기록된 25.2% 인증 효율.
<첨가물과 표면처리 공정으로 합성된 페로브스카이트 박막, 특성이 향상된 페로브스카이트 박막으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, NREL 효율 차트에 기록된 25.2% 인증 효율.>

새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자 수송이 원활하다. 이 결과로 전압이 높아지고, 고효율도 이룬다. 연구팀은 화학용액증착법을 개발, 새로운 전자수송층 소재를 만들었다. 태양전지 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 식이다. 연구팀은 주석산화물 소재가 강한 산성 환경에서 적은 결함을 보이는 것을 발견, 결함이 적은 전자수송층을 개발했다.

새로운 페로브스카이트 층 소재는 빛을 더 많이 흡수한다. 페로브스카이트 층 소재는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정, 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다. 연구팀은 적절한 브롬(Br) 비율을 찾아내 더했다. 이 결과 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보, 전류가 높아졌다.

관련 네이처 표지논문 이미지
<관련 네이처 표지논문 이미지>

연구팀은 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자 응용 가능성도 확인했다. 이번 기술 발광효율은 17%다. 기존 페로브스카이트 태양전지 발광효율은 약 5~10%다. 페로브스카이트 태양전지가 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다.

서장원 박사는 “이번에 보고한 효율은 이론효율의 80.5%에 해당된다”며 “효율 향상이 좀 더 이뤄진다면 26% 이상 효율도 가능해 기존 실리콘 태양전지 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것”이라고 말했다.

공동 교신저자 신성식 박사는 “페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성도 세계 최초로 증명했다”며 “앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com