[지금은 과학] 페로브스카이트 태양전지…세계 최고 효율 달성

[아이뉴스24 정종오 기자] 제작하기도 쉽고 값싸게 만들 수 있는 페로브스카이트 태양전지. 신재생에너지가 앞으로 확대될 것으로 전망되면서 눈길을 끄는 태양전지이다. 문제는 효율과 내구성에 있었다. 아무리 값싸고 제작하기 쉬워도 효율이 떨어지고 내구성이 약하면 쓸모없는 것이나 다름없기 때문이다.

국내 연구팀이 이 같은 문제를 해결했다. 유니스트(UNIST)와 한국에너지기술연구원(에너지연)은 6일 페로브스카이트 소재 구성 대체 물질을 찾아 25.6% 효율을 기록했다고 발표했다.

박막봉지(encapsulation) 과정 없이 20% 이하의 습도에서 섭씨 60℃로 열을 가할 때 1000시간 동안 안정성을 확보했다. 박막봉지란 유기물이나 무기물은 공기 중에 노출되면 수분이나 대기 중의 공기에 영향을 받기 때문에 이를 억제하기 위해 유기물이나 무기물을 접착제로 덮는 방법을 말한다.

페로브스카이트 태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 작동 안정성 부분에서도 450시간 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자와 비교해 공정 과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다.

유니스트와 에너지연 연구팀이 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율을 경신했다. 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 것으로 기대되는 차세대 전지다.

◆효율과 내구성 문제 해결해

유니스트 김진영 교수팀과 에너지연 김동석 박사 연구팀은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구팀과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다.

연구팀은 전지 핵심 소재인 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 끌어올렸다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적 입체구조(결정)를 갖는 물질이다. 합성이 쉽고 저렴하다. 페로브스카이트 태양전지가 태양광 발전 원가를 낮출 것으로 기대되는 이유다.

다만 효율이 상용(실리콘) 태양전지에 못 미치고 내구성도 떨어지는 게 페로브스카이트의 단점이다. 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 높였다. 포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적 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 전지와 비교해 봤더니 효율이 10% 이상 향상됐다.

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

전지 제작을 담당한 김동석 에너지연 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록도 확보했다”고 말했다.

제1 저자인 정재기 로잔공대 박사는 “포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미도 크다”며 “이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 강조했다.

연구결과(논문명: Pseudo-halide Anion Engineering for α-FAPbI3 Perovskite Soalr Cells)는 국제학술지 네이처(Nature) 4월 5일 자에 실렸다.

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