UNIST 김진영 교수팀, 한국에너지기술연구원 김동석 박사팀, 스위스 로잔공대 연구팀 공동
페로브스카이트 태양전지 모습/UNIST 제공
울산과학기술원(UNIST) 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀이 스위스 로잔공대(EPFL) 연구팀과 함께 소재 구성 대체 물질을 찾아내 태양광을 전기에너지로 전환하는 효율(광전효율)이 세계 최고인 25.6%에 달하는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지를 개발했다.
논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다.
기존 최고 기록은 한국화학연구원(화학연)이 2019년 미국 MIT 연구팀과 공동으로 작성한 25.2%다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉽고 제작원가는 낮아 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다.
연구팀은 전지 핵심인 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 끌어올렸다.
페로브스카이트 소재 기반 차세대 디스플레이와 같은 광전소자 개발에도 도움이 될 전망이다.
페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체 구조를 갖는 물질이다.
문제는 상용 실리콘 태양 전지에 비해 효율이 떨어지고 내구성도 약하다는 점이다.
실험 도표/UNIST 제공
공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액 함량 2%)를 ‘포메이트’라는 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 높이는 데 성공했다.
금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하는 포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다.
입체 구조가 규칙적으로 잘 자란 소재를 쓰면 전지 효율이 높다.
연구팀은 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상한 것을 확인했다.
작동 안정성 부분에서도 450시간 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.
김진영 교수는 “아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다”며 “포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다”고 설명했다.
전지 제작을 담당한 김동석 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2% 보다 높은 공인 기록도 확보했다”며 “동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것”이라고 전망했다.
정재기 UNIST 박사(현 로잔공대)는 “포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미가 크다”며 “이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 말했다.
이번 연구 결과는 저명 국제학술지 네이처(Nature)에 4월 5일 자로 게재됐다.
[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]
