국내연구진 '태양전지 소재' 연구, 네이처 표지논문 선정

화학연구원 서장원 박사팀, 정자수송층·페로브스카이트층 개발
150도 이하에서 제작 가능해 플라스틱에 태양전지 만들 수 있어

한국화학연구원 서장원 박사팀이 전자수송층, 페로브스카이트층을 새로 개발해 페로브스카이트 태양전지의 빛을 전기로 바꾸는 효율이 25.2%를 기록했다. 화학연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 개발한 페로브스카이트 태양전지가 빛을 전기로 바꾸는 최고효율 25.2%를 기록했다. 이는 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접한 것이다. 연구진은 태양전지 핵심소재를 150℃ 이하의 온도에서도 만들 수 있어 가능해 잘 휘어지고 가벼운 플라스틱 기판에도 적용할 수 있다고 설명했다. 또한 이 태양전지가 전기 생산 뿐만 아니라 밝은 빛까지 내 디스플레이로도 적용할 수 있다는 사실을 세계 최초로 증명해냈다.

한국화학연구원 서장원 박사는 페로브스카이트 태양전지를 최고 효율로 끌어올릴 수 있는 핵심 소재 기술을 개발했다고 24일 밝혔다. 이 기술은 세계적인 학술지 '네이처'에 25일자로 발표됐으며 기술의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다.

페로브스카이트 태양전지는 투명전극, 전자 수송층, 페로브스카이트층, 정공 수송층, 금속전극으로 이뤄져 있다.

연구진은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 페로브스카이트층 합성법을 새로 개발했다. 또 전자가 잘 이동해 전지의 전압을 높일 수 있는 전자 수송층을 만들었다.

이 두 소재를 이용해 만든 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%의 전기전환효율을 보였고, 1㎠ 크기로 만든 태양전지는 23%에 달하는 세계 최고 효율을 기록했다.

한국화학연구원 서장원 박사팀이 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더 확보하기 위해, 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬의 비율을 찾아내 새로 만들었다. 화학연구원 제공

서장원 박사는 "이번에 발표한 효율은 이론효율의 80.5%로 앞으로 추가연구를 통해 기존 실리콘 태양전지 최고효율인 26.7%에 근접할 수 있을 것"이라고 말했다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지 소재 중 전압을 높일 수 있는 전자수송층과 전류를 높일 수 있는 페로브스카이트층에 주목했다.

연구진은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 화학용액증착법을 개발했다. 화학용액증착법은 태양전지 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 만든다. 연구진은 특히 주석산화물 소재가 강한 산성에서 결함이 줄어든다는 것을 발견, 다양한 합성 변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층 개발에 성공했다.

페로브스카이트 태양전지 구조. 화학연구원 제공

또 연구진은 많은 빛을 흡수할 수 있는 페로브스카이트층 소재 합성법을 개발했다. 이 층은 '페로브스카이트' 결정구조로 이뤄져 있다. 이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다. 연구진은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더 확보하기 위해, 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬의 비율을 찾아내 새로 만들었다. 그 결과 전지가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아졌고 효율이 향상됐다.

한국화학연구원 서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지가 빛을 전기로 바꾸는 것 뿐만 아니라 전기로 빛까지 만들어 낼 수 있다는 것을 증명했다. 화학연구원 제공

한편, 연구진은 페로브스카이트 태양전지가 전기를 빛으로 바꾸는 발광성능까지 뛰어나다는 것을 밝혀냈다.

발광효율은 지금까지 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나다. 전세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그쳤다. 반면 연구진이 개발한 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다.

이번연구에 참여한 신성식 박사는 "페로브스카이트 태양전지가 전기 생산 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했기 때문에 향후 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것"이라고 전망했다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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