또 세계기록..韓 차세대 태양전지 '페로브스카이트' 앞서가는 이유

국내 연구진이 차세대 태양전지로 떠오른 페로브스카이트 태양전지 최고 효율 기록을 번갈아 경신하면서 글로벌 기술선점 경쟁서 우위를 다져나가고 있다.

울산과학기술원(UNIST), 한국에너지기술연구원은 지난 5일 스위스 로잔공대 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율(광전환변환효율)을 25.6%까지 높인 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell;PSC)를 개발했다고 발표했다. 이번 연구성과는 국제학술지 네이처에 실렸는데, 논문으로 정식보고된 PSC 효율 중 가장 높은 수준이다.

페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합한 규칙적 입체 구조를 갖는 물질이다. 빛을 잘 흡수하는 특성이 있어 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 기존 실리콘 태양전지에 비해 제작 비용이 저렴하고, 공정도 단순하다는 게 장점이다.

2019년 1월 중국과학원(23.7%)에 1위 자리를 내준 적 있지만, 최근 3년간은 국내 연구진이 PSC 최고 효율 기록을 번갈아가며 경신하고 있다.

한국화학연구원 서장원 박사 연구팀은 2019년 9월 25.2% 효율을 달성하며 '마의 25%'를 넘어섰다. UNIST 석상일 교수 연구팀은 2020년 실험실 수준에서 25.5% 효율을 달성하면서, 미국 신재생에너지연구소(NREL)가 매기는 PSC 효율 중 가장 상위를 차지하고 있다.

미국 신재생에너지연구소(NREL)의 페로브스카이트 태양전지 효율 차트. /자료=NREL

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日 PSC 기술 첫 소개…韓 연구진, 고효율화로 주도권 확보

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2009년 미야사카 쓰토무 일본 토인요코하마대학 교수가 처음 개발한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 3.8%였다. 페로브스카이트를 태양전지 소재로 쓸 수 있다는 가능성은 발견했지만, 효율이 너무 낮아 후속 연구는 더뎠다.

하지만 반전의 계기가 생겼다. 박남규 성균관대 교수 연구팀이 고체형 페로브스카이트 태양전지를 개발하면서 효율을 9.7%까지 끌어올린 것이다. 박남규 교수는 이 연구를 계기로 2017년 학술정보기관 클래리베이트 애널리스틱스가 예측한 노벨상 후보에 이름을 올리기도 했다.

석상일 교수 역시 PSC 플랫폼 구조 기술 개발 등을 통해 고효율화에 성공하면서, 국내 PSC 연구를 선도했다. 한국연구재단은 2019년 석 교수를 노벨상 수상자 업적에 근접한 국내 학자 중 한 명으로 선정한 바 있다.

석 교수는 "페로브스카이트에 대한 연구가 부족했던 초기부터 이 분야에 뛰어든 한국 연구진들이 있었다"며 "상대적으로 연구를 빨리 시작했고 기후변화에 대한 관심과 지원이 늘어난 점 등이 복합적으로 작용해 좋은 결과물들이 발표되고 있다"고 말했다. 선도 연구자들의 성과가 나오면서 국내 연구자들이 PSC 연구 중요성을 더 빨리 인식할 수 있었다는 설명이다.

PSC의 기술적 특징이 국내 연구진들에게 친숙했던 점도 단기간 내 성과를 낼 수 있던 배경으로 꼽힌다. 2010년을 전후로 국내에서는 차세대 태양전지 후보로 염료감응 태양전지, 유기태양전지 연구가 활발했는데 PSC와 같은 용액공정 기반이었다.

서장원 박사는 "염료감응 태양전지 연구를 통해 용액공정 기반의 연구 역량이 갖춰져 있었고, 2012년부터 PSC 효율이 획기적으로 높아진 연구성과가 나오면서 용액공정에 친숙한 연구자들이 PSC로 연구분야를 발 빠르게 확장했다"고 말했다.

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정책적 지원 효과에 한 몫

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정책적 지원도 한몫했다는 설명이다. 박남규 교수는 "2011년부터 글로벌 프런티어 사업 지원이 시작됐는데 당시 서울대 최만수 교수팀이 한국연구재단으로부터 약 9년간 연구비를 지원받아 페로스브카이트 연구를 집중적으로 수행할 수 있었다"고 말했다. 최만수 교수 연구팀은 지난 1월 고려대 연구팀과 함께 PSC의 안정성을 크게 높이는 새로운 공정을 개발하고, 국제학술지 네이처 에너지에 논문을 발표했다.

현재 PSC 효율은 이미 상용화된 실리콘 태양전지 최고 효율(26.7%)에 근접할 정도로 상당한 수준에 도달했다는 평가다. 현장 연구자들은 고효율화와 더불어 PSC의 상용화 가능성을 높이기 위해 대면적화, 안정성 확보로 연구 분야를 확장하고 있다.

정부가 '2050년 탄소중립' 사회 실현이라는 도전적 목표를 제시하면서, PSC를 비롯한 차세대 태양전지 연구개발도 한층 더 탄력을 받을 전망이다. 용홍택 과기정통부 1차관은 지난 8일 태양광 전문기업 한화큐셀을 방문해 "최근 국내 연구진이 세계 최고효율과 내구성을 가진 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 등 탄소중립 원친기술을 확보하기 위해 노력하고 있다"며 "정부는 탄소중립 기술혁신 전략을 기반으로 기업 의견을 지속 수렴하고, 민관이 협력해 기술혁신을 역점 지원할 계획"이라고 밝혔다.

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한고은 기자 doremi0@mt.co.kr

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