대면적 페로브스카이트 태양전지 에너지 효율 18.24% 달성… 세계 최고 수준

전남중 한국화학연구원 책임연구원 연구진

한국화학연구원 연구진이 대면적 페로브스카이트 태양전지에 활용할 수 있는 첨가제를 개발했다. 이 방식으로 개발한 태양전지는 에너지 전환효율 18.24%로 세계 최고 수준을 달성했다. /한국화학연구원

국내 연구진이 대면적 페로브스카이트 태양전지 첨가제의 단점을 보완한 새로운 첨가제를 개발했다. 태양광으로 전기에너지를 만드는 에너지전환 효율을 높여주고 내구성을 떨어뜨리는 문제를 해결했다. 부작용이 적어 넓은 면적에도 활용할 수 있는 만큼 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다.

전남중 한국화학연구원 에너지소재연구센터 책임연구원이 이끄는 연구진은 서장원 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수와 공동 연구로 대면적 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 세계 최고 수준으로 끌어 올렸다고 2일 밝혔다.

빛을 흡수하는 능력이 뛰어난 페로브스카이트 구조를 가진 소재는 태양전지 개발에 가장 중요한 요소 중 하나로 꼽힌다. 특히 용액 상태인 페로브스카이트를 필름에 바르면 유연하고 가벼운 태양전지를 만들 수 있다. 페로브스카이트 필름으로는 250~300㎚(나노미터, 1㎚는 10억분의 1m) 두께를 만들 수 있는데, 1세대 태양전지 소재로 사용하던 실리콘 웨이퍼의 두께 150~200㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만분의 1m)에 비하면 1000분의 1 수준이다.

다만 페로브스카이트 태양전지 연구 대부분은 0.1㎠ 미만의 좁은 면적에서 효율을 개선하려는 시도로 이뤄지고 있다. 태양전지로 사용할 만큼의 넓은 면적으로 구현하기 위한 연구는 아직 부족한 상황이다.

효율과 안정성을 모두 잡을 수 있는 소재가 개발되지 않았다는 한계도 있다. 페로브스카이트는 태양빛을 받아 전자와 정공(양전하 입자)를 만든다. 이 중 정공이 지나는 통로인 정공수송층에 유기 단분자 소재인 ‘스파이로’를 사용하면 효율을 높일 수 있으나 열에 취약하고, 유기 고분자인 ‘폴리트리아릴아민’을 사용하면 열에는 강하지만 효율을 높이기는 어렵다. 에너지 효율을 높이기 위해 전기 전도도를 높여주는 물질인 ‘도펀트’가 개발되기도 했지만, 물을 흡수하는 성질로 페로브스카이트를 분해해 장기적으로는 성능을 떨어뜨리는 부작용이 나타난다.

화학연 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 새로운 도펀트를 개발했다. 폴리트리아릴아민의 전기 전도도를 높일 수 있는 산성 물질과 페로브스카이트의 안정성을 높일 수 있는 염기 물질이 반응해 만들어진 겔 형태의 이온성 물질이다. 여기에 포함된 긴 탄소 사슬은 물의 흡수를 막아 200㎠의 대면적에 코팅하더라도 태양전지의 성능 저하에 큰 영향을 미치지 않는다. 200㎠ 면적은 현재 상용화된 실리콘 태양전지와 비슷한 수준이다.

화학연 연구진이 개발한 도펀트를 코팅한 태양전지는 에너지 효율 18.24%를 기록해 세계 최고 수준을 달성했다. 또 연속으로 1080시간 태양광을 비추더라도 효율이 89% 이상으로 유지됐고, 온도 85℃, 습도 85%의 악조건에서도 90% 이상 효율을 유지하는 것으로 나타났다.

이번에 개발한 물질을 활용하면 빛이 거의 없는 상황에서 사용하는 사물인터넷(IoT), 건물 일체형 태양전지의 상용화로 이어질 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 연구진은 국내 기업과 협력해 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 나설 예정이다.

전남중 책임연구원은 “페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 모두 잡은 새로운 첨가제를 만들었다”며 “기존 첨가제는 안정성 문제로 대면적 태양전지에 활용할 수 없었지만, 이번에 개발한 첨가제를 활용하면 대면적 태양전지에도 사용할 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘에너지·환경과학’에 지난 3월 29일 소개됐다.

참고자료

Energy & Environmental Science, DOI: https://doi.org/10.1039/D2EE04045J

조선비즈

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대면적 페로브스카이트 태양전지 에너지 효율 18.24% 달성… 세계 최고 수준