기존 페로브스카이트 태양전지 효율보다 10% 높은 25.6% 달성
실험실 수준 넘어 실제 제작도 가능해 상용화 가능성 높아
국내 연구진, 차세대 태양전지 효율 세계 최고 수준 달성
태양전지 이미지
울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부, 한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터, 스위스 로잔연방공과대(EPFL) 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지 효율을 약 26% 달성에 성공했다고 5일 밝혔다. 이 같은 연구결과는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 6일자에 실렸다.
페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조를 갖는 물질이다. 합성이 쉽고 가격이 저렴해 디스플레이, 센서 분야 등에서도 많이 연구되고 있다. 특히 태양광 발전 분야에서는 현재 실리콘 기반 태양광 발전보다 단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대되는 차세대 전지이다. 그렇지만 현재 상용화돼 쓰이고 있는 실리콘 태양전지보다 효율이 떨어지고 내구성이 떨어져 상용화까지는 시간이 걸릴 것이라는 시각이 지배적이다.
현재 개발되고 있는 페로브스카이트 태양전지의 효율은 15~20% 안팎이며 상용화돼 쓰이고 있는 실리콘 기반 태양전지 효율은 26.7% 수준이다. 정부는 최근 2050년 탄소제로 사회 구축을 위해 2030년까지 저가 중국산 태양전지를 대체하기 위해 태양전지 효율을 30% 이상 올릴 수 있는 기술개발을 지원하고 상용화까지 이끌어 내겠다고 밝힌바 있다.
이 같은 문제를 해결하기 위해 물질 조성을 바꿔 효율과 안정성을 높이려는 연구가 활발하지만 아직 해결되지 못하고 있다.
연구팀은 페로브스카이트 음이온 일부를 ‘포메이트’라는 물질로 교체하는 방식으로 페로브스카이트 광활성층의 전기적, 화학적 성질을 개선함으로써 전지 효율과 내구성을 높였다. 연구팀은 컴퓨터 가상실험을 통해 포메이트가 페로브스카이트 양이온과 상호작용해 결합력을 강화시키고 전하 수명을 기존보다 50% 이상 증가시켜 전기에너지 전환효율을 높일 수 있다는 것을 파악했다.
실제로 연구팀은 페로브스카이트에 포메이트를 첨가해 태양전지를 만든 결과 기존 페로브스카이트 전지보다 효율이 10% 이상 높아졌다. 태양광을 전기로 바꾸는 전환효율이 25.6%로 세계 최고 수준을 기록한 것이다.
이번 연구는 페로브스카이트 소재를 기반으로 한 태양광전지는 물론 차세대 디스플레이 같은 광전소자 개발에도 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
연구팀 관계자는 “이번 연구는 페로브스카이트 결정 내에 음이온 자리에 다른 물질을 배치함으로써 효율을 높일 수 있다는 것을 보여줬다”라며 “실험실 수준에서 달성한 효율을 실제로 만드는 것도 가능해 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 설명했다.
유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
