UNIST 연구진 국제학술지 사이언스 발표

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높이는 소재를 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 효율이 높으면서도 제조 비용이 저렴해 ‘차세대 태양전지’로 불린다.

석상일 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀은 “새로운 조성의 광흡수층 소재를 제작, 유·무기 하이브리드 페로브스카이트 전지에 적용한 결과 23.7%의 효율을 얻었다”고 8일 국제학술지 ‘사이언스’에 발표했다.

태양전지의 핵심 소재는 태양빛을 직접 흡수해 전자를 생산하는 ‘광활성층’이다. 이와 함께 빛을 전기로 바꾸는 효율뿐 아니라 광활성층의 내구성도 중요한 요인이다.

페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질을 광활성층으로 쓰는데, 빛 전환 효율을 높이는 것과 함께 이 부분의 내구성을 높이는 게 상용화를 위한 과제로 남아 있었다. 광활성층의 효율은 ‘밴드 갭’에 의해 결정된다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중 흡수 가능한 파장대가 넓어지므로, 효율을 높이려면 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하다.

그러나 지금껏 광활성층에 넣어주던 메틸암모늄이나 브롬(Br) 같은 물질은 오히려 밴드 갭을 넓혔다. 메틸암모늄의 경우 광활성층의 내구성도 낮춘다.

연구진은 브롬과 메틸암모늄을 대신 2가 양이온(메틸렌다이암모늄)을 첨가했다. 새 첨가물은 결정구조를 안정하게 하면서 효율도 유지했다. 2가 양이온을 첨가한 페로브스카이트 전지의 효율은 23.7%였다. 태양광을 아래서 600시간 연속으로 작동한 뒤에도 효율은 초기의 90% 이상을 유지했다.

UNIST는 “무르고 쉽게 녹이 생기는 철에 다른 금속을 소량 첨가해 단단하고 녹슬지 않는 스테인리스 스틸을 만들 듯, 첨가물로 ‘페로브스카이트’의 단점을 잡는 기술”이라고 이번 연구 성과를 소개했다. 석 교수는 “현재 최적화한 전하 전달 소재를 추가로 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행했다”면서 “이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것”이라고 전망했다. 그는 또 “UNIST 창업기업인 ‘프론티어에너지솔루션’과 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

울산 박정훈 기자 jhp@seoul.co.kr