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상용화 앞둔 세계 최고 수준 초고효율 '페로브스카이트 태양전지' 개발

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등록 2021-02-25 01:01:00  |  수정 2021-02-25 09:53:17
화학연구원, 25.2% 초고효율 페로브스카이트 태양전지용 소재개발
중국 제치고 효율 1위 탈환, 25일 새벽 네이처에 발표
실리콘 태양전지와 유사한 수준, 상용화 목전
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[대전=뉴시스] 페로브스카이트 태양전지의 구조와 원리. 페로브스카이트 층 소재가 빛을 흡수해 전자와 정공으로 나눠 각 전자수송층, 정공수송층을 이동해 전극으로 가면서 전기가 발생한다. *재판매 및 DB 금지
[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 세계 최고 수준의 초고효율 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발하며 중국에 내준 효율수준 1위자리를 다시 탈환했다.

이 연구결과는 기존 실리콘 태양전지의 효율에 근접한 수치로 세계최고 권위지 네이처지(IF=42.778) 표지논문에 선정됐다.

 한국화학연구원은 에너지소재연구센터 서장원 박사팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 소재기술을 개발했다고 25일 밝혔다.     

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 저렴한 화학소재를 저온에서 용액공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있으며 가볍고 설치도 편리해 큰 주목을 받고 있다. 하지만 실리콘 태양전지의 광전변환효율 26%에 비해 효율이 낮아 상용화가 어려운 실정이다.

이번에 서 박사팀이 개발한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%의 효율을 기록했고 1㎠ 소자에서는 23%로 나와 세계 최고 효율을 달성, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성을 보여줬다.
 
특히 이번 효율수준은 세계 최고 수준이라 인정받던 중국의 23.7%를 앞지른 수치로 최고 효율 1위에 이름을 올리게 됐다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류로 서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재, 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 각 개발해 효율을 획기적으로 향상시켰다.

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[대전=뉴시스] 화학연구원의 연구성과가 실린 네이처 표지논문 이미지. *재판매 및 DB 금지
먼저 서 박사팀은 화학용액증착법을 활용, 새로운 전자수송층 소재를 만들었다. 화학용액증착법은 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물(SnO2) 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 기술이다.

주석산화물은 페로브스카이트 박막에서 전자를 잘 추출시키 수 있고 저온에서도 합성이 가능하다는 장점이 있다. 연구팀은 전자수송층으로 사용되는 주석산화물 소재가 강한 산성환경에서 결함이 줄어든다는 것을 발견하고 다양한 합성변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층을 개발하는 데 성공했다.

 이어 연구팀은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발했다. 페로브스카이트 층 소재는 '페로브스카이트' 결정구조로 이뤄지지만 이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다.
 
연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더 안정적으로 확보키 위해 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬(Br)의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성했다. 그 결과 전지가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아졌고 효율이 향상됐다.

 연구팀은 이번에 개발한 새로운 전자수송층 소재 및 새 페로브스카이트 층 소재 합성법을 활용해 전류와 전압을 모두 높여 0.1㎠에서는 25.2%를, 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 확보하는데 성공했다.
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[대전=뉴시스] 그림 (a)는 첨가물과 표면처리 공정으로 합성된 페로브스카이트 박막, (b)는 특성이 향상된 페로브스카이트 박막으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, (c)는 NREL 효율 차트에 기록된 25.2% 인증 효율. *재판매 및 DB 금지
이 성과는 'Efficient perovskite solar cells via improved carrier management'라는 제목으로 네이처지 표지논문에 선정돼 25일 오전 1시(한국시간) 온라인으로 발표됐다.
 
연구팀은 이번 논문에서 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다고 설명했다.

발광효율은 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그쳤지만 이번 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다.

서장원 박사는 "25% 이상의 높은 효율은 이론효율 측면에서 80.5%에 해당된다"며 "효율 향상이 더 이뤄진다면 26% 이상도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것"이라고 말했다.

공동 교신저자 신성식 박사는 "이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다"면서 "앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 본다"고 기대했다.


◎공감언론 뉴시스 kys0505@newsis.com
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