차세대 페로브스카이트 태양전지 상용화 앞당길 물질 개발

안정성 때문에 넣은 물질이 효율성 떨어뜨려
새로운 물질로 교체해 ‘두 토끼’ 다 잡아
울산과기원 석상일 교수팀 <사이언스> 논문
“전하 전달 소재도 개발해 26% 달성 눈앞”

울산과학기술원 연구팀이 차세대 페로브스카이트 태양전지의 단점을 극복할 새로운 기술을 개발해 상용화에 한발 더 다가섰다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 차세대 태양전지 후보물질인 ‘페로브스카이트’의 단점을 극복할 새로운 기술을 개발해 연구 결과가 과학저널 <사이언스> 7일(현지시각)치에 실렸다.

울산과학기술원(유니스트)은 이날 “석상일 에너지 및 화학공학부 교수 연구팀이 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들어 태양전지에 적용했다”며 “새로운 소재는 단지 첨가물을 바꾸는 것만으로 기존 페로브스카이트 태양전지보다 효율과 안정성(내구성)을 크게 높였다”고 밝혔다.

연구팀은 “무르고 쉽게 녹이 생기는 철에 소량의 다른 금속을 첨가하면 단단하고 녹슬지 않는 스테인리스 스틸이 만들어지듯 첨가물을 바꾸는 것만으로 페로브스카이트의 단점을 잡아 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열었다”고 말했다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만들어 저렴하고 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조하는 간편함 때문에 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 유력한 차세대 태양전지 후보로 손꼽히고 있다. 태양전지는 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는 광활성층이 얼마나 튼튼하고 안정적인지, 또 빛을 전기로 바꾸는 효율이 얼마나 높은지가 상용화의 관건이다.

페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰인다. 광활성층의 효율은 물질 원자 안 전자의 에너지 구조인 ‘밴드 갭’에 의해 결정되는데 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어진다. 따라서 광활성층인 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하다. 그러나 기존 광활성층의 경우 페로브스카이트 결정 구조가 바뀌지 않게 넣어주던 메틸암모늄(MA)이나 브롬(Br) 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓혀, 안정성을 잡으려다 효율을 떨어뜨리는 결과를 빚었다.

석상일 울산과학기술원(유니스트) 교수가 태양전지 시범시설 앞에서 새로 개발한 페로브스카이트 태양전지 모듈을 들어보이고 있다. 울산과학기술원 제공

석상일 교수 연구팀은 브롬과 메틸암모늄을 대신해 다른 ‘2가 유기 양이온’(메틸렌다이암모늄·MDA)을 첨가함으로써 이런 한계를 극복했다. 새로운 첨가물은 결정구조를 안정하게 만들면서 효율도 유지해 광활성층의 안정성과 효율성을 동시에 잡았다.

논문 제1저자인 민한울 울산과학기술원 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “2가 유기 양이온을 첨가한 페로브스카이트의 효율은 23.7%였고, 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동했다”고 말했다. 석 교수는 “논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행해 이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것”이라고 밝혔다.

석 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 연구를 선도하고 있으며 ‘마의 효율’이라 불리는 20%을 처음 넘긴 것은 물론 최고 효율을 네 차례나 경신했다.(참고 : 태양광발전, 진짜 볕들 날은 ‘태양전지’에 달렸다) 또 페로브스카이트 태양전지에 관한 논문을 <사이언스>와 <네이처> 등에 다수 게재해왔다.

이근영 선임기자 [e-mail]