국내 연구진, 차세대 태양전지 효율 세계 최고기록 또 깼다

UNIST 김진영 교수팀 등, 25.6% 효율 기록...기존 화학연 25.2% 기록 깨

[아시아경제 김봉수 기자] 한국 연구진이 차세대 태양광 전지 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율 기록을 경신했다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 김진영 교수팀이 김동석 한국에너지기술연구원 박사 연구팀, 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 6일 밝혔다.

이는 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다. 기존 최고 기록은 한국화학연구원(화학연)이 2019년 미국 MIT 연구팀과 공동으로 작성한 25.2%가 가장 높았었다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉽고 제작원가는 낮아 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 휘어지도록 가공이 가능해 웨어러블 소재로 활용할 수 있다. 이에 광전화 효율을 높여 실용화하기 위한 국제 연구 경쟁이 치열하다. 우리나라는 화학연이 2019년 4월 중국과학원의 페로브스카이트 최고 효율 23.7%를 제치고 24.2%를 기록해 세계 최고 자리를 재탈환한 지 4개월 후인 같은 해 8월 25,2%로 또다시 기록을 경신해 중국과의 격차를 1.5% 이상 벌리는 등 한 발 앞서나가고 있다.

연구진은 전지 핵심 소재인 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 끌어올렸다. 이번 연구는 페로브스카이트 소재 기반 차세대 디스플레이와 같은 광전소자 개발에도 도움이 될 전망이다.

페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질이다. 합성이 쉽고 저렴하다. 페로브스카이트 태양전지가 태양광 발전 원가를 낮출 것으로 기대되는 이유다.

하지만 아직 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용(실리콘) 태양전지에 못 미치고 내구성도 떨어진다. 이를 개선하기 위해 양이온의 조합 등을 바꿔 효율과 물질의 안정성을 개선하려는 연구가 활발했다.

공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액함량 2%)를 포메이트(HCOO-)란 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 향상 시켰다. 포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다. 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다. 입체구조가 규칙적으로 잘 자란 소재(결정성이 우수한 소재)를 쓰면 전지 효율이 높다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상됐다.

김진영 교수는 “아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다”라며 “포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다”라고 설명했다.

전지 제작을 담당한 김동석 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록도 확보했다”며 “동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 과학 학술지인 '네이쳐(Nature)'에 5일 자로 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr