'대면적' 페로브스카이트 태양전지 효율, 일본 제치고 세계 1위

화학연

서장원(왼쪽) KAIST 교수, 전남중(오른쪽) 한국화학연구원 책임연구원. 화학연

국내 연구팀이 200cm2 이상의 대면적 페로브스카이트 태양전지 효율을 18.24% 달성하는 데 성공했다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면 종전 최고 효율은 일본 파나소닉 연구팀이 세운 17.9%로 국내 연구진이 1위를 차지한 것이다. 

한국화학연구원은 전남중 에너지소개연구센터 책임연구원과 서장원 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀이 이같은 연구성과를 냈다고 2일 밝혔다. 

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.

전 책임연구원은 “현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 손톱만한 좁은 면적에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이뤄져 왔다”며 “산업화를 위해선 넓은 면적에서 안정성을 갖추며 성능을 구현하는 것이 필요하다”고 말했다. 

그간 페로브스카이트 태양전지 ‘정공수송층’에 주로 사용되던 소재는 효율 확보에는 유리하나 열에 취약했다. 정공수총층은 태양전지 소자에서 빛을 받아 페로브스카이트 층에서 생성되는 전자와 정공 중 ‘정공’을 전달하는 역할을 하는 층이다. 또 다른 소재인 ‘PTAA’ 는 고온에서 안정하지만 효율 극대화엔 한계가 있었다. 

연구팀은 ‘도펀트’에 주목했다. 도펀트는 물질 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물이다. 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 포함돼 전기전도도를 향상시키는 역할을 한다. 그간 도펀트는 리튬 등의 이온 염 기반으로 물과 친한 성질을 지녀 물을 흡수하는 경향이 있었다. 이 물은 페로브스카이트 층과 정공수송층을 분해해 성능을 저해시켰다. 

연구팀은 이온성 액체 형태의 도펀트를 개발했다. 그 결과 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서 페로브스카이트의 한계점을 보완할 수 있었다. 

연구팀은 대면적의 페로브스카이트 태양전지 효율을 최대 25%까지 끌어올릴 수 있다고 분석한다. 전 책임연구원은 “‘텐덤 태양전지’에도 적용이 가능할 것”이라 전망했다. 텐덤 태양전지는 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지에 페로브스카이트 태양전지를 얹은 것으로 최고 효율이 30%를 넘는다. 개발한 대면적 페로브스카이트 태양전지를 활용해 텐덤 테양전지를 만들면 더 큰 효율을 낼 수 있다는 예상이다. 

연구팀은 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다. 이번 연구는 국제학술지 ‘에너지 인바이론멘탈 사이언스’에 지난 3월 공개됐다. 
 

[고재원 기자 jawon1212@donga.com]