"세계 최고 효율"…한국산 '페로브스카이트 태양전지' 나왔다

화학연구원, 200㎠ 이상 대면적서 에너지 효율 18.24% 입증
기존 연구는 0.1㎠서 진행, 규모 2000배 키워 상용화 앞당겨
기존 일본 파나소닉 연구팀의 17.9% 효율 뛰어넘은 연구결과

한국화학연구원이 개발해 세계 최고 효율을 입증한 페로브스카이트 태양전지 셀. / 사진=한국화학연구원

국내 연구진이 세계 최고 효율을 자랑하는 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다. 페로브스카이트는 도체·반도체·부도체 성질은 물론 초전도 현상까지 나타내는 금속 산화물로, 기존 태양전지 소재인 실리콘 대비 광(光) 흡수율이 높고 저가로 만들 수 있다. 이번 연구 결과로 기술 상용화가 앞당겨질 수 있을 전망이다.

2일 한국화학연구원에 따르면 전남중 화학소재연구본부 박사 연구팀과 서장원 KAIST(한국과학기술원) 교수 연구팀은 최근 국제학술지 'Energy Environmental Science'(에너지환경과학)에 이같은 연구 내용을 게재했다.

페로브스카이트 태양전지는 좁은 면적에서 높은 에너지 효율을 나타내 주목받았다. 그간의 연구는 0.1㎠에서 효율을 개선하는 방식으로 진행됐다. 이 기술을 상용화하려면 대면적에서 성능을 장시간 구현해야 하는 과제가 남아 있었다.

특히 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 유기 단분자 소재는 에너지 효율이 좋지만 열에 취약하다. 이와 다른 소재인 PTAA(폴리트리아릴아민)라는 유기 고분자는 고온에서 안정적이지만 효율을 극대화하기엔 어려움이 있었다.

이에 전 세계 연구팀은 도펀트라는 물질을 활용해 연구를 진행했다. 도펀트는 물질(재료) 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물이다. 페로브스카이트 태양전지 소재에 도펀드가 들어가면 전기전도도가 향상된다.

화학연 연구팀은 우수한 용해성(용질의 녹는 성질)을 지닌 이온성 액체 형태의 도펀드를 개발했다. 이를 통해 전기적 특성을 향상시키고 효율·안정성을 획기적으로 향상시켰다. 실제 검증도 진행했다.

검증 결과, 200㎠ 이상 대면적에서 페로브스카이트 태양전지 효율이 18.24%로 나타났다. 이 기술은 기존 0.1㎠ 면적 대비 연구 규모를 2000배 가량 키워 만들어낸 성과로 그 가치가 크다.

과학계에 따르면 종전 최고 효율은 일본 파나소닉 연구팀이 세운 17.9%로 이를 뛰어넘은 세계 최고 효율이다. 또 연구팀은 연속 광조사 1080시간 후 초기효율 대비 89% 이상을 나타내는 사실을 확인했다. 현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기는 200㎠ 이상이다. 이는 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 시장에 곧 나갈 수 있다는 의미다.

이영국 화학연 원장은 "소재와 에너지 소자 관련 기업과 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있도록 적극 지원하겠다"고 밝혔다.

연구팀은 지난해 국내 특허 등록 후 미국·일본·중국·유럽에 특허 출원을 완료했다. 현재는 기업 유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진 중이다.

한국화학연구원이 개발한 대면적 페로브스카이트 태양전지 셀 효율 인증서. / 사진=한국화학연구원

김인한 기자 science.inhan@mt.co.kr