페로브스카이트 태양전지 효율 韓연구진이 1년만에 갱신…세계 최고 20.9% 달성

한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 새로운 소재를 개발, 1cm²소자 세계 최고 효율인 20.9%을 기록했다고 10일 밝혔다.

서장원 박사/사진=화학硏

‘페로브스카이트’는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질이다. ‘페로브스카이트 태양전지’는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율이 높아야 하고, 높은 온도에 대한 열안정성도 갖춰야 한다.

페로브스카이트 태양전지 단면은 총 3개 층으로 이뤄져 있다. 맨 위에는 물질의 정공을 이동시키는 정공 수송 층, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다.

정공은 반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자를 뜻한다. 태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물 층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이 때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는 데 정공을 운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다. 연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발했다.


‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지레벨을 지녔다. 이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다.

이 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위소자 면적(0.1cm²)보다 10배 큰 1cm²소자에서도 높은 효율을 보였다.

연구진은 “태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다”며 “이번 기술은 소자 효율을 측정하는 항목중 개방전압을 높인 것으로 전압이 높으면 태양전지 효율도 함께 향상된다”고 설명했다.

또 기존 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD)가 가지고 있는 취약한 열안정성도 극복했다. 연구진은 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보였다고 전했다.

이번 실험 결과는 같은 면적 1cm²를 기준으로 지난 2017년 국제학술지 사이언스에 공식적으로 기록된 19.7%의 효율을 약 1년여 만에 갱신한 성과다.

서장원 박사는 “이번 연구로 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 높였다”며 “앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 에너지’ 온라인판에 게재됐다.