[과학을 읽다]태양전지 효율 최고기록 또 깼다

석상일 유니스트 특훈교수 연구팀, 기존 20.1% 극복하고 22.1% 달성

▲석상일 교수가 태양전지 효율의 최고기록을 또 깼다.[사진제공=유니스트]

[아시아경제 정종오 기자] 태양전지 효율이 더 높아졌습니다. 기존 효율 20.1%를 깨고 22.1%까지 올라섰습니다. 석상일 유니스트(UNIST) 특훈교수가 세계 최고 효율을 또 갱신했습니다. 차세대 태양전지의 강력한 후보로 '페로브스카이트(perovskite) 태양전지'가 꼽힙니다. 이 효율을 22.1%까지 끌어 올렸습니다.

이 기술의 핵심은 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 떨어뜨리는 것으로 알려진 할로겐화물의 결함(defect)을 잡은 것에 있었습니다. 석 교수는 "기존 최고 인증 효율 20.1%를 22.1%로 향상시킬 수 있는 기술"이라며 "미래 태양전지로 주목받는 저비용·고효율 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 높였다"고 설명했습니다.

페로브스카이트는 양이온과 음이온, 할로겐화물(혹은 산화물)이 독특한 결정 구조를 가진 물질입니다. 이 물질을 태양전지에 적용해 전기를 생산하는 소자가 '무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지'입니다. 이 전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 쉽게 만들 수 있습니다. 광전변환 효율(22% 이상)도 높습니다. 덕분에 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(~25%)이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있습니다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 박막으로 만듭니다. 이 박막이 균일하지 않거나 내부 물질이 불완전하면(결함이 생기면) 태양전지 성능이 크게 떨어집니다. 이번 연구에서 석 교수팀은 페로브스카이트 구조 중 할로겐화물의 결함을 조절할 방법에 초점을 맞췄습니다.

연구팀이 사용하는 페로브스카이트 박막에서는 할로겐화물로 '요오드 이온(I-)'이 쓰입니다. 페로브스카이트 박막을 만드는 공정에서 요오드 이온이 불안전해질 수 있습니다. 이 문제는 단순하게 요오드 이온을 추가해도 해결되지 않았습니다.

연구팀은 요오드 분자(I2)는 일반적인 2개의 요오드 이온(I-) 형태가 아닌 새로운 형태로 만들어 이 문제를 해결했습니다. 3개의 분자가 결합된 요오드 이온(I3-) 형태로 만들어 페로브스카이트 할로겐화물 박막을 제조할 때 첨가했습니다. 그 결과 페로브스카이트 박막 내부 결함이 획기적으로 줄어들었습니다.

이번 연구는 석 교수가 주도하고 노준홍 한국화학연구원 겸임연구원(고려대 교수), 김은규 한양대 교수가 공동교신저자로 참여했습니다.

석 교수는 "태양전지의 성능은 태양광에서 전기적 에너지로 변환 손실을 발생시키는 소재 내부의 결함을 줄이는 게 핵심"이라며 "페로브스카이트 태양전지는 할로겐화물을 이용하는데 이 소재의 결함을 획기적으로 줄이는 방안은 이번 연구로 제시하고 세계 최고 효율을 구현했다"고 말했습니다.

연구 결과는 사이언스(Science) 6월30일자 온라인판(논 문 명: Iodide management in formamidinium-lead-halide?based perovskite layers for efficient solar cells)에 실렸습니다.