연기처럼 사라지는 녹나무 유래 물질…태양전지 효율·수명 개선 성공

울산과학기술원(UNIST). 울산과학기술원 제공

국내 연구진이 녹나무 유래 물질을 활용해 태양전지의 효율과 수명을 개선하는 데 성공했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕 교수팀은 녹나무에서 추출한 캠퍼(camphor) 유도체를 첨가해 고품질 페로브스카이트 박막을 합성했다고 29일 밝혔다.

페로브스카이트 박막은 수많은 결정 입자로 구성된다. 결정 크기가 크고 배열이 고르게 정렬돼 있을수록 전자 흐름이 원활해지고 구조가 단단해져 전지의 효율과 수명이 향상된다. 이런 고품질 구조를 만들기 위해 첨가제를 쓰는데 첨가제가 제조 후에도 남아 있으면 성능 저하의 원인이 된다.

연구팀은 녹나무 추출물인 캠퍼에 산화 작용기가 추가된 물질인 ‘캠퍼퀴논’을 박막 첨가제로 써서 문제를 해결했다. 캠퍼퀴논은 캠퍼에 산화 작용기가 추가된 물질이다. 고체에서 바로 기체로 날아가는 승화성이 있고 캠퍼와 달리 단계적으로 승화된다. 1차 열처리 과정에서 결정 씨앗이 균일하게 만들어지도록 돕고 일부 승화된다. 나머지는 결정이 성장하는 단계까지 박막 내에 머무르다가 2차 열처리 과정에서 완전히 승화된다.

이 결정 박막을 사용한 태양전지는 25.2%의 광전변환효율을 기록했다. 첨가제를 쓰지 않은 대조군(23%)보다 약 9.6% 높게 나타났다. 실제 작동 환경을 모사한 최대전력점추적(MPPT) 조건에서는 1000시간 동안 초기 효율의 90% 이상을 유지해 대조군 대비 2배 이상 향상된 수명 성능을 보였다. 최대전력점추적은 태양전지가 인공태양 아래에서 최대 출력을 낼 수 있도록 설정한 평가 기준이다.

양창덕 교수는 “페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 자연에서 유래한 친환경 물질로 풀 수 있다는 점에서 의미가 있다”며 “태양광 산업의 지속 가능성과 기술 고도화를 함께 이끌 수 있는 기술”이라고 말했다.

연구 결과는 친환경 에너지 분야 국제 학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 지난 21일자로 게재됐다.

김현수 기자 khs@kyunghyang.com