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태양광을 전기로...효율 25.2% 세계 최고 기록 '페로브스카이트 태양전지'
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태양광을 전기로...효율 25.2% 세계 최고 기록 '페로브스카이트 태양전지'
  • 박주현 기자
  • 승인 2021.04.06 11:00
  • 댓글 0
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페로브스카이트 소재 구성 대체 물질 찾아 효율 높여
디스플레이(PeLED) 등 차세대 광전소자 개발에도 도움 기대
Nature지 논문게재...미국 공인인증 Newport사에서 25.21±0.8%의 전력 변환 효율 인증
[연구그림] 개발된 물질을 쓴 페로브스카이트 전지 /사진=UNIST 제공

국내 연구진과 스위스 연구진이 공동으로 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지를 개발해 화제다.

지금까지 정식 논문보고 효율 중 세계 최고 기록이다.

울산과학기술원(UNIST) 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀, 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 연구진이 공동으로 연구한 해당 결과를 국제 과학 학술지 네이처(Nature)지에 4월 5일자로 논문명 'Pseudo-halide Anion Engineering for α-FAPbI3 Perovskite Soalr Cells'를 게재했다고 6일 UNIST가 밝혔다.

국제 과학 학술지 네이처(Nature)지 해당 논문 갈무리

실리콘 태양전지보다 만들기 간편하고 저렴한 '페로브스카이트 태양전지'의 효율은 광활성층 물질이 결정하며, 이 광활성층인 페로브스카이트는 ABX3(A:1가 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온)화학식을 갖는 인위적으로 합성된 물질이다.

실리콘 태양전지의 경우는 얇은 규소판인 실리콘 웨이퍼를 광활성층으로 사용한다. 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 원가를 낮출 것으로 기대되고 있지만 아직 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용 실리콘 태양전지에 못 미치고 내구성도 떨어지는 점을 개선하기 위해 효율과 물질의 안전성 연구가 활발히 진행되고 있다.

페로브스카이트 태양전지를 들고 있는 연구진 /사진=UNIST 제공

공동연구진은 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 높였다. 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부를 포메이트(HCOO-)란 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 향상 시켰다고 밝혔다.

포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하는 것을 돕는데 이것은 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화해주기 때문이라고 한다. 결정성이 우수한 소재를 사용하면 전지 효율 또한 높아 실제 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상됐다.

새로운 페로브스카이트 물질의 내부구조및 페로브스카이트 태양전지 구조 /연구그림=UNIST 제공

연구팀이 개발한 광활성층을 이용한 태양전지의 구조는 메조스코픽 구조를 사용하였으며 이 전지의 전력변환효율(전지에 쪼여진 태양광 에너지를 100으로 보았을 때 이를 전기로 바꾸는 효율)은 현재 논문 출간된 효율 중 최고 효율인 25.6%를 기록했다. 미국의 공인인증기관인 Newport사에서도 25.21±0.8%의 전력 변환 효율을 인증받았다고 연구팀은 설명했다.

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

(왼쪽상단부터 시계방향) 김진영 UNIST 교수, 김동석 KIER 박사, 서종득 UNIST 연구원,  김민진 KIER 박사, 윤영진 UNIST 박사 /연구진 사진=UNIST 제공

2013년부터 김진영 교수 연구팀과 공동연구를 진행했으며 이번 연구의 전지 제작을 담당했던 한국에너지기술연구원 김동석 박사는 "25.2%의 높은 공인 기록을 확보했으며, 동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것"이라고 기대했다.

UNIST 정재기 박사(제1저자, 現 로잔공대)는 “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 밝혔다.

연구팀이 개발한 이 물질은 벌크(bulk) 구조의 형성에 도움을 주어 페로브스카이트 발광 다이오드, 디텍터(센서) 그리고 열전소자 연구에 활용될 수도 있으며, 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.

앞으로 차세대 태양전지 소재로 활용되어 페로브스카이트의 다양한 조성에 큰 역할을 할 것으로 기대되고 있다.


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