대면적 페로브스카이트 태양전지 효율 세계기록…18% 벽 깼다

화학연, 용해성 뛰어난 액체 도펀트 개발
200㎠ 이상 대면적 코팅..초기 효율 90% 유지

한국화학연구원은 페로브스카이트 태양전지를 200㎠ 대면적 셀에서 세계 최고 수준의 효율인 18.24%를 달성했다. 화학연 제공

페로브스카이트 태양전지의 대면적 셀에서 세계 최고 효율을 달성한 서장원(왼쪽부터) KAIST 교수, 김영웅 생기원 박사(제1저자 ), 전남중 화학연 책임연구원이 사진을 찍고 있다. 화학연 제공

국내 연구진이 대면적 페로브스카이트 태양전지 효율 세계기록을 깼다. 기존에 해외 연구진이 갖고 있던 최고 효율 기록 17.9%보다 높은 18.24%를 구현, 글로벌 기술경쟁의 선두에 섰다. 사물인터넷 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등에 적용될 전망이다.

한국화학연구원은 전남중 박사 연구팀이 서장원 KAIST 교수 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 성능을 동시에 높일 수 있도록 용해성이 우수한 이온성 액체 형태의 도펀트를 개발했다고 2일 밝혔다.

도펀트는 물질 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물이다. 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 포함돼 전기전도도를 높이는 데 결정적인 역할을 한다. 페로브스카이트 태양전지는 용액공정을 통해 높은 효율을 얻을 수 있다. 유연하고 가벼운 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 현재 0.1㎠ 이하 좁은 면적에서 효율을 개선하는 연구가 이뤄지고 있지만, 상용화를 위해선 넓은 면적에서 장시간 효율을 안정적으로 유지하는 기술 확보가 필수다. 하지만, 정공수송층에 주로 사용하는 유기 단분자 소재는 효율을 높이는 데는 효과적인 반면 열에 매우 취약하다. 이와 달리 유기 고분자인 PTAA(폴리트리아릴아민)는 고온에서 매우 안정적이지만 효율을 높이는 데 한계가 있다.

연구자들은 지금까지 리튬 등 이온 기반의 도펀트를 도입해 전기전도도를 높여 효율을 향상시키는 시도를 해 왔다. 이 도펀트는 물과 매우 친한 성질이 있다 보니 페로브스카이트층과 정공수송층을 장기적으로 분해해 성능을 떨어뜨린다. 연구팀은 정공 전달 고분자 PTAA에 전도도를 높여 주는 '산 물질'과, 페로브스카이트 표면 결함을 억제해 안정성을 향상시킬 수 있는 아민 계열의 '염기 물질'을 반응시켜 새로운 도펀트를 개발했다. 이 도펀트를 용액 내에 완전히 분사시켜 200㎠ 이상의 대면적에 코팅한 결과 18.24%의 세계 최고 수준 효율을 얻어냈다. 이는 100이라는 태양광 에너지가 주어지면 18.24의 전기 에너지가 얻어짐을 의미한다. 활성면적 기준 효율은 19.91%에 달했다. 지금까지 미국 재생에너지연구소(NREL) 차트 기준 200㎠ 이상 대면적 효율은 17.9%가 최고 기록이었다.

연구진은 1080시간 연속으로 광을 쪼인 후 초기 효율 대비 89% 이상, 85도·85% 조건에서 초기 효율 대비 90% 이상의 성능을 유지하는 것도 확인했다. 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 확보하고 있는 유니테스트에 관련 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다. 전남중 박사는 "현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적에서 세계 최고 효율과 장기 안정성을 동시에 확보했다는 데 의미가 있다"며 "관련 기업과 협업해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기도록 연구를 이어가겠다"고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 '에너지 인바이런먼털 사이언스(지난 3월호)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@