韓 연구팀, 초고효율 차세대 태양전지 소재 개발…네이처 표지논문 게재

韓 연구팀, 초고효율 차세대 태양전지 소재 개발…네이처 표지논문 게재

  • 기자명 최태우
  • 입력 2021.02.25 09:59
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[더퍼블릭 = 최태우 기자] 국내 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율을 대폭 향상시킬 수 있는 핵심 소재를 개발하면서 관심이 집중되고 있다. 해당 전지는 1㎠ 소자에서 세계 최고 수준인 23%의 광전변환효율을 달성했다.

한국화학연구원 서장원 박사팀은 25일 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 층 가운데 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재와 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 높였다고 밝혔다. 이 연구 결과는 ‘네이처’에 표지 논문으로 실렸다.

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조 물질이며, 이 물질로 만든 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 저렴한 가격과 저온 용액 공정으로 쉽게 제조가 가능하다.

또 해당 소재를 사용한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2% 효율을 기록했다. 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성했다. 상용화 필수조건인 대면적화에 대한 가능성을 시사한 것이다.

다만 기존보다 광전변환효율이 낮으며 안정성을 더욱 높여야 하기 때문에 상용화가 어려울 것으로 예상된다.



연구팀은 이 연구에서 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이기 위해 전압과 전류에 영향을 미치는 전자수송층 소재와 페로브카이트층 소재를 개발했다.

태양전지를 구성하는 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 방식이다. 연구팀은 주석산화물 소재가 강한 산성 환경에서 적은 결함을 보이는 것을 발견했으며 결함이 적은 전자수송층을 개발했다고 설명했다.

또 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 페로브스카이트층 소재 합성법을 개발해 전류를 높였다. 페로브스카이트 결정구조로 이뤄진 페로브스카이트층에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여 있는데, 적절한 브롬(Br) 비율을 찾아내 검은색 결정의 안정성을 높여 빛을 잘 흡수하도록 했다. 


여기에 더해 연구팀은 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자 응용 가능성도 확인했다. 기존 페로브스카이트 태양전지 발광효율은 약 5~10% 수준이지만 이번 기술 발광효율은 17%다. 이는 페로브스카이트 태양전지가 더욱 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명한 것이다.

서장원 박사는 “25% 이상의 효율은 페로브스카이트 태양전지의 이론상 최고 효율의 80.5%에 해당한다”며 “앞으로 효율 향상이 좀 더 이뤄진다면 26% 이상 효율도 가능해 기존 실리콘 태양전지 최고효율(26.7%)에 근접할 수 있을 것”이라고 말했다.

공동 교신저자 신성식 박사는 “페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성도 세계 최초로 증명했다”며 “앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 보인다”고 밝혔다. 

[사진제공=연합뉴스]

더퍼블릭 / 최태우 기자 therapy4869@daum.net 

더퍼블릭 / 최태우 therapy4869@daum.net

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