한국화학연구원, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발

▲네이처지 표지 논문 이미지. 사진제공 한국화학연구원

[에너지경제신문 오세영 기자] 한국화학연구원은 서장원 박사 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 소재 기술 개발에 성공해 네이처지 표지논문에 선정됐다고 25일 밝혔다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 한국화학연구원 서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중에서 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재와 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 개발해 효율을 높였다.

연구팀이 개발한 새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자의 수송(이동)을 원활하게 할 수 있다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아지고 높은 전압은 높은 효율로 이어진다.

또 연구팀은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발했다. 페로브스카이트 층 소재는 원래 ‘페로브스카이트’ 결정구조로 이뤄진다.

이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다. 연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 안정적으로 확보하기 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.

▲페로브스카이트 태양전지 사진(왼쪽)과 구조. 자료제공 한국화학연구원

한편 이번 논문에서는 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다. 발광효율은 지금까지 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 측정됐다. 전세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그친 데에 비해 이번 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다.

화학연은 이러한 세계 최고 외부 전기발광효율은 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명한 결과라고 말했다.

한국화학연구원 서장원 박사는 "이번에 보고한 25% 이상의 높은 효율은 이론효율의 80.5%에 해당된다. 앞으로 효율 향상이 이뤄진다면 26% 이상의 효율도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


claudia@ekn.kr