화학연, 세계 최고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발

광전변환효율, 실리콘 태양전지에 육박

▲네이처 표지 논문 이미지. (사진제공=한국화학연구원)

국내 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지 소재가 세계 최고 효율을 달성해 주목된다.

한국화학연구원(KRICT)은 서장원 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 획기적으로 향상할 수 있는 핵심 소재 기술 개발에 성공해 네이처지 표지논문에 선정됐다고 25일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을 때 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있어 최근 큰 주목을 받아왔다. 하지만 기존 실리콘 태양전지의 광전변환효율에 비해 여전히 효율이 낮아 상용화가 어려운 상황이다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중에서 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재, 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 향상했다.

새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 기술을 개발했다. 또 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보하기 위해 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬(Br)의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성했다. 새로운 소재를 통해 전류와 전압을 모두 높인 결과 0.1㎠에서는 25.2%를, 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 기록했다.

▲(왼쪽)페로브스카이트 태양전지 사진과 페로브스카이트 태양전지 구조. (사진제공=한국화학연구원)

아울러 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다. 발광효율은 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 측정된다. 전 세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그쳤으나 이번 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다. 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명한 결과로 볼 수 있다.

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