페로브스카이트 태양전지 효율 25.6%…세계 최고 기록

디스플레이 등 차세대 광전소자 개발 도움 기대

▲페로브스카이트 태양전지를 연구진이 들고 있다. (사진제공=울산과학기술원)

국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율을 달성했다. 디스플레이 등 차세대 광전소자 개발에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구진은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율을 경신했다고 6일 밝혔다. 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이른다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 제조가 간편하고 저렴하다. 일과 중 태양이 떠 있는 위치(태양광 입사각)에 따라 발전효율이 크게 달라지는 실리콘 태양전지와 달리 입사각에 민감하지 않아 설치 위치에 제약이 적다.

페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질이다. 합성이 쉽고 저렴하다. 페로브스카이트 태양전지가 태양광 발전 원가를 낮출 것으로 기대되는 이유다. 하지만 아직 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용(실리콘) 태양전지에 못 미치고 내구성도 떨어진다. 이를 개선하기 위해 양이온의 조합 등을 바꿔 효율과 물질의 안정성을 개선하려는 연구가 활발했다.

공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액함량 2%)를 포메이트(HCOO-)란 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 향상했다. 포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다. 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다. 입체구조가 규칙적으로 잘 자란 소재(결정성이 우수한 소재)를 쓰면 전지 효율이 높다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상됐다.

김동석 박사팀은 전지 제작을 담당했다. 김 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록도 확보했다”며 “동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 최고 권위 국제 과학 학술지인 네이처(Nature)지 5일 자로 게재됐다.

▲(왼쪽 상단부터 시계 방향) 김진영 UNIST 교수, 김동석 KIER 박사, 서종득 UNIST 연구원, 김민진 KIER 박사, 윤영진 UNIST 박사. (사진제공=울산과학기술원)