실리콘 태양전지 최고 효율 26.7% 넘어서 가격 효율 높은 페로브스카이트 태양전지 상용화 시동
광전효율 25.2%를 기록한 새로 개발한 페로브스카이트 태양전지 구조/화학연구원 제공
한국화학연구원 서장원 화학소재연구본부 박사 연구팀이 25.2%의 광전변환효율(빛을 흡수해 전기로 바꾸는 비율)을 갖는 세계 최고 수준의 ‘페로브스카이트 태양전지(0.1㎠ 면적 기준)’를 개발했다.
천연 광물 소재인 페로브스카이트는 2가지 양이온 물질과 1가지 음이온 물질이 격자구조로 결합한 물질들을 통틀어 말한다.
어떤 양이온과 음이온으로 구성되느냐에 따라 특성이 달라진다.
생산 원가가 실리콘 전지보다 20% 이상 저렴한 페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 어려웠던 이유는 광전변환효율이 낮았기 때문이다.
실리콘 태양전지의 최고 광전변환 효율은 26.7% 수준이다.
그동안 페로브스카이트 전지의 효율은 25%를 밑돌았다.
서장원 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 이번 연구를 통해 0.1㎠ 면적 기준 25.2%의 효율을 내는 데 성공했다.
2019년 9월 미국신재생에너지연구소(NREL) 집계 기준 세계 최고 기록이다.
향후 기존 실리콘 태양전지 보다 높은 광전효율을 낼 수 있을 것으로 기대 되고 있다.
빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더 확보하기 위해 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬의 비율을 찾아내 제작한 소재/화학연구원 제공
태양전지 효율을 올리기 위해선 전압과 전류를 높이는 게 핵심이다.
연구팀은 전자와 정공(전자의 빈 자리)이 두 전극을 쉽게 오갈 수 있는 수송층 소재들을 개발했다.
전자와 정공이 쉽게 움직일수록 전력 손실이 줄어 태양전지의 광전효율이 높아진다.
기존 소재보다 결함이 적은 구조로 전자의 이동을 수월하게 했다.
전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아진다.
높은 전류를 위해선 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 소재를 합성해냈다.
태양전지 상용화를 위해선 큰 면적에서도 높은 효율을 내는 게 중요하다.
연구팀은 1㎠ 소자 기준에서도 23%의 효율을 기록했다.
이 역시 세계 최고 수준이다.
또 기존 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 500℃의 고온 환경이 필요했지만 연구팀은 150℃의 온도만으로도 제작에 성공했다.
페로브스카이트 연구에서 국내팀은 가장 앞서 있다는 평가를 받고 있다.
한국화학연구원은 지금까지 NREL 집계 기준 최고 효율성 기록을 일곱 번 갱신했다.
현재 최고 기록은 지난해 25.5%의 효율을 기록한 석상일 UNIST(울산과학기술원) 교수팀이 갖고 있다.
서 책임연구원은 “작은 단위소자의 안정성 문제는 상당 부분 개선되고 있는 만큼 향후 상용화를 기대하고 있다”고 밝혔다.
또 "앞으로 연구가 더 이뤄진다면 현재 실리콘 태양전지의 최고 효율인 26.7%를 넘을 수 있을 것으로 보인다"고 말했다.
연구 결과는 지난달 25일 국제학술지 네이처에 표지논문으로 게재됐다.
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