울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연구원 연구진은 '페로브스카이트'(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율을 경신했다고 6일 밝혔다.
UNIST 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 공동 연구팀에 따르면 이 수치는 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다.
페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체 구조를 갖는 물질로, 합성이 쉽고 저렴하다. 이 때문에 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 것으로 기대되고 있다.
그러나 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용 실리콘 태양 전지에 못 미치고 내구성도 떨어진다. 공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액 함량 2%)를 '포메이트'라는 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 높이는 데 성공했다.
포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하는 것을 돕는데, 이는 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다.
입체 구조가 규칙적으로 잘 자란 소재를 쓰면 전지 효율이 높다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상했다고 연구팀은 설명했다.
UNIST 김진영 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.
한국에너지기술연구원 김동석(울산차세대전지연구개발센터장) 박사팀은 전지 제작을 담당했다. 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 기대했다.
제1저자인 정재기 UNIST 박사(현 로잔공대)는 "포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미가 크다"며 "이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 설명했다.
이번 연구 결과는 저명 국제학술지 '네이처'(Nature)에 5일 자로 게재됐다.
강경주 기자 qurasoha@hankyung.com
관련뉴스
