상용화 앞둔 세계 최고 수준 초고효율 '페로브스카이트 태양전지' 개발
화학연구원, 25.2% 초고효율 페로브스카이트 태양전지용 소재개발
중국 제치고 효율 1위 탈환, 25일 새벽 네이처에 발표
실리콘 태양전지와 유사한 수준, 상용화 목전
[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
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.
[대전=뉴시스] 화학연구원의 연구성과가 실린 네이처 표지논문 이미지. *재판매 및 DB 금지
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.
[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
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.
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