서장원 박사가 페로브스카이트 필름 박막의 광학 특성 평가 실험을 하고 있다.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 가져다줄 핵심기술 개발에 성공했다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 서장원 박사 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 핵심소재 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’ 표지논문으로 선정돼 25일 온라인 공개됐다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을 때 저렴한 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다는 장점으로 큰 주목을 받아왔다. 하지만 기존 실리콘 태양전지보다 광전변환효율이 낮아 상용화에 큰 어려움을 겪어왔다. 연구팀이 개발한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%를 기록, 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성해 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성을 보여줬다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중에서, 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재, 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 향상시켰다.

개발한 새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자의 수송을 원활하게 할 수 있다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아지고, 높은 전압은 높은 효율로 이어진다.

연구팀은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 화학용액증착법과 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발했다.

두 가지 새로운 소재를 통해 전류와 전압을 모두 높인 결과 0.1㎠에서는 25.2%를, 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 기록했다.

이번 연구에서는 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다. 발광효율은 지금까지 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 측정됐는데, 전세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그쳤다. 그런데 이번 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다. 이러한 세계 최고 외부 전기발광효율은, 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명한 결과로 볼 수 있다.

서장원 박사가 23일 과기정통부 기자실에서 '초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발' 관련 브리핑을 하고 있다.[과기정통부 제공]

서장원 박사는 “이번에 보고한 25% 이상의 높은 효율은 이론효율의 80.5%에 해당된다”며 “앞으로 효율 향상이 좀 더 이루어진다면 26% 이상의 효율도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

그는 또 “향후 상용화된다면 신재생에너지 분야 이외에도 건물 창호, 자동차 유리, 디스플레이 등 다양한 분야에 적용이 가능해 질 것”이라고 덧붙였다.

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