[표지로 읽는 과학]상용 태양전지 한 걸음 다가선 페로브스카이트

네이처 제공

국제학술지 네이처는 25일 발광다이오드(LED)처럼 반짝반짝 빛나는 페로브스카이트 태양전지의 모습을 표지로 실었다. 빨간색과 파란색, 초록색의 네모난 사각형을 볼 수 있는데, 태양전지 모듈을 형상화한 것이다. 

페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합한 특이한 규칙적 입체 구조를 갖는 광물질이다. 태양광을 받으면 전기를 전달하는 전자와 정공을 만들어낸다. 상용화된 실리콘 태양전지와 비교했을 때 값싼 소재를 활용하고 저온에서 용액공정을 통해 제조할 수 있어, 기존 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 다만 실리콘 태양전지는 오랜 기간 연구를 거쳐 26.7%의 최고효율을 가진 반면, 페로브스카이트는 상용 단계까지 가기엔 효율이 낮다.

서장원 한국화학연구원 화학소재연구본부 책임연구원팀은 페로브스카이트 태양전지 효율을 25.2%까지 높이는 핵심 소재 개발에 성공했다고 이번 주 네이처에 발표했다.

연구팀은 화학용액증착법을 이용해 새로운 결함을 줄인 전자수송층 소재를 만들었다. 화학용액증착법은 태양전지 구성층인 투명전극 위에 주석산화물을 바로 합성시켜 전자수송층을 만드는 기술이다. 결함이 줄어들면서 전자 이동이 쉬워졌고, 전지 전압이 높아졌다. 

연구팀은 페로브스카이트층 소재도 빛을 더 흡수할 수 있는 형태로 만들었다. 페로브스카이트 층 소재는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 그렇지 못한 노란색 결정이 섞여있다. 연구팀은 브롬을 특정 비율로 섞으면 검은색 결정을 많이 확보할 수 있는 것을 알아내고, 여기에서 착안해 새로운 소재를 합성했다. 빛을 더 잘 흡수하면 전자의 흐름이 늘어나 전류가 높아진다. 

결국 전지 전압과 전류를 높여 전지의 효율을 크게 높인 것이다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지 소재는 가로세로 약 3.1mm 면적인 0.1㎠ 소자에서 25.2%의 효율을 달성했다. 이는 이론 효율의 80.5%에 달한 것이다. 페로브스카이트의 이론 효율은 31%로 예상된다.

이번에 개발한 페로브스카이트 소재의 효율인 25.2%는 전 세계 태양전지 효율을 비교하는 미국 국립재생에너지연구소(NREL) 차트에 2019년 9월 최대 기록으로 등재됐다. 현재는 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수 연구팀의 25.5%가 이곳의 최고 기록이다.
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]