서장원 한국화학연구원 책임연구원이 23일 오전 세종특별자치시 세종파이낸스센터 과기정통부 기자실에서 '초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발' 관련 브리핑을 하고 있다. (과학기술정보통신부 제공) 2021.02.25 /뉴스1

국내 연구진이 차세대 태양전지 효율을 높일 수 있는 연구 결과를 발표해, 국제학술지 네이처의 표지를 장식했다.

한국화학연구원은 서장원 박사팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높일 수 있는 소재 기술 개발에 성공 했다고 25일 밝혔다. 연구 성과 브리핑에서 서장원 박사는 "전자 이동도를 높여 줄 수 있는 구조를 만들어 태양전지의 효율을 높였다"고 소개했다.

페로브스카이트 태양전지의 구조와 원리. 페로브스카이트 층 소재가 빛을 흡수해 전자와 정공으로 나뉘어져 각각 전자수송층, 정공수송층을 이동해 전극으로 가면서 전기가 발생한다.(한국화학연구원 제공) 2021.02.24 /뉴스1

태양전지는 소자가 빛을 받아 전류를 만드는데, 이때 전자가 이동하는 전자수송층과 정공이 이동하는 정공 수송층이 있다. 연구팀은 이중 전자수송층을 개선해 효율을 높인 것이다.

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조의 물질이다. 이를 활용한 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 저렴하고, 제조하기가 쉬워 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 문제는 실리콘 태양전지보다 효율이 떨어진다는 것.

개발된 태양전지의 특성 (a) 첨가물과 표면처리 공정으로 합성된 페로브스카이트 박막, (b) 특성이 향상된 페로브스카이트 박막으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, (c) NREL 효율 차트에 기록된 25.2% 인증 효율. (한국화학연구원 제공) 2021.02.24 /뉴스1

이번에 개발된 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%의 효율 나타냈으며, 미국 신재생에너지 연구소에서 공식 인증받았다. 1㎠ 규모에서는 23%의 세계 최고 수준의 효율을 나타냈다.

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.

연구팀은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 새로운 화학용액증착법을 개발했다. 화학용액증착법은 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성 시켜 전자수송층을 형성하는 기술이다. 연구팀은 전자수송층으로 사용되는 주석산화물 소재가 강한 산성 환경에서는 결함이 줄어든다는 것을 발견하고, 다양한 합성 변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층을 개발하는 데 성공했다.

또한 페로브스카이트 층의 빛 흡수 능력을 높일 수 있는 방법을 찾아 효율을 높였다.

이날 브리핑에서는 기존 실리콘 기반 태양전지보다, 내구성이 낮은 페로브스카이트 태양전지의 단점 극복 방안과 실용화 가능성 대한 질문이 이어졌다.

서 박사는 "페로브스카이트 태양전지의 연구에 대한 기간이 길지 않기 때문에 조금 더 안정성이나 또 대면적화라든지 이런 부분에 대한 연구가 계속 되어야 한다"며 "페로브스카이트 결정 자체를 보완해주거나, 표면에 후처리하는 등 (소자의) 안전성에 대한 연구들도 많이 진행되고 있다. 상용화를 위해 더 많은 연구가 필요하지만, 긍정적으로 기대를 하고 있다"고 설명했다.

그는 "25%이상의 효율은 이론적 효율의 약 80% 정도"라며 "앞으로 효율 향상이 좀 더 이루어진다면 26% 이상의 효율도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

서갑경 한국화학연구원 학생연구원과 유정완 한국화학연구원 전문연구요원이 이번 논문의 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업, 국가과학기술연구회 창의융합과제 등의 지원을 받아 수행됐다.


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