UNIST·에너지연 또 해냈다...페로브스카이트 태양전지 효율 세계기록 경신

5일 연구성과 네이처지에 게재

페로브스카이트 태양전지를 들고 있는 연구진. /사진=UNIST

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율 기록을 경신했다. 페로브스카이트 태양전지 연구는 한국이 특히 두각을 보이고 있는 분야로, 직전 세계 최고 효율도 국내 연구진이 보유한 기록이었다.

울산과학기술원(UNIST), 한국에너지기술연구원은 6일 UNIST 김진영 교수팀, 에너지연 김동석 박사 연구팀이 스위스 로잔공대 연구진과함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율(광전환변환효율)이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 이는 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 가장 높은 수준이다.

기존 최고 효율은 한국화학연구원 서장원 박사 연구팀이 기록한 25.2%였다. UNIST 석상일 교수 연구팀은 실험실 수준에서 25.5%의 효율을 달성한 바 있다. 현재 상용화돼있는 실리콘 태양전지 최고 효율 26.7%에 근접한 수준이다.

페로브스카이트 태양전지는 현재 상용화돼있는 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉽고, 제작 비용은 낮아 신재생에너지 분야 신기술로 주목받고 있다. 2009년 일본에서 페로브스카이트 태양전지가 처음으로 공개된 이후 국내외에서 연구가 활발하게 이뤄지고 있는데, 세계 최고 효율 기록에서 보듯 최근에는 국내 연구진이 관련 연구를 주도하고 있다.

공동 연구팀은 전지의 핵심 소재인 페로브스카이트 소재의 구성 원소조합을 새롭게 하는 방식으로 효율을 높였다. 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액함량 2%)를 포메이트(HCOO-)라는 물질로 바꾼 결과 전지 효율과 내구성이 향상됐다.

새로운 페로브스카이트 물질의 내부구조및 페로브스카이트 태양전지 구조. /사진=UNIST

포메이트는 광활성층인 페로브스카이트 박막이 전하의 수명을 기존에 비해 50% 가까이 증가시켜 많은 전하를 전기에너지로 바꿀 수 있게 했다. 또 페로브스카이트 소내 내부의 규칙적인 입체구조를 단단하게 성장시켜, 소재 결정성을 우수하게 만들었다.

김진영 UNIST 에너지화학공학과 교수는 "아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다"며 "포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다"고 설명했다.


새로운 방식을 적용해 만든 태양전지 셀은 미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 태양전지 효율 측정을 대행하는 인증기관 뉴포트(Newport)사에서 25.21±0.8%의 효율을 인정받았다. 공동연구팀은 태양전지 셀의 이동과정에서 발생하는 안정성 저하, 효율 측정 환경 등의 차이로 논문상 최고 효율에 비해서는 효율이 낮게 측정됐다고 설명했다.

페로브스카이트 태양전지는 열과 습도에 약한 편인데, 공동연구팀이 개발한 태양전지는 물질을 접착제로 덮는 박막봉지 과정 없이 20% 이하의 습도에서 섭씨 60℃로 열을 가하는 환경에서 1000시간 동안 안정적으로 작동했다. 또 450시간 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 성능을 보였다.

이번 연구성과는 페로브스카이트 태양전지 상용화 가능성을 높이는 동시에 페로브스카이트 기반의 차세대 디스플레이 같은 광전소자 개발도 촉진할 전망이다.

제1저자로 참여한 정재기 UNIST 박사(현 로잔공대)는 "포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미도 크다"며 "이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 과학기술분야 국제 학술지인 '네이쳐'(Nature)에 5일자로 게재됐다.

논문으로 발표된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 가장 높은 효율을 달성한 UNIST, 에너지연 공동연구팀. 김진영 UNIST 교수(사진 왼쪽 상단부터 시계방향), 김동석 KIER 박사, 윤영진 UNIST 박사, 김민진 KIER 박사, 서종득 UNIST 연구원. /사진=UNIST