화학연 제공
차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트'의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 핵심 소재가 개발됐다. 이 소재를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 광전변환 효율을 25.2%까지 높여 세계 최고 기록을 달성했고, 발광효율도 17%까지 높여 전기 생산과 발광 소자로 활용할 수 있는 가능성을 열었다는 평가다.
한국화학연구원은 서장원·신성식 박사팀이 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 '전자수송층'과 '페로브스카이트층'의 핵심 소재를 개발, 효율을 높이는 데 성공했다고 밝혔다.
이 연구결과는 우수성을 인정받아 세계적인 학술지 '네이처' 표지논문(25일자)에 실렸다.
페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질과 초전도 현상을 띠는 특별한 구조의 물질로, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키의 이름을 따 명명됐다. 기존 실리콘 태양전지에 비해 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액공정으로 손쉽게 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 기대되고 있다. 하지만, 실리콘 태양전지에 비해 광전변환 효율이 낮고, 대면적화에 어려움이 있어 상용화가 더디게 이뤄져 왔다. 연구팀은 태양전지의 구성층인 투명전극 위에 주석산화물 등을 합성시켜 전자수송층을 형성하는 화학용액증착법을 통해 주석산화물 기반의 전자수송층 소재를 개발했다. 또한 빛을 더 많이 흡수할 수 있도록 새로운 페로브스카이트층 소재 합성법을 개발해 높은 전류를 통해 효율을 향상시켰다.
연구팀은 새로운 전자수송층과 페로브스카이트층을 통해 전류와 전압을 모두 높인 결과, 0.1㎠에서 25.2%의 효율을 기록했다. 이는 지금까지 보고된 세계에서 가장 높은 효율이다. 특히 크기를 키운 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 보여 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화 가능성을 보여줬다.
연구팀은 빛을 전기로 바꾸는 전지 성능 외에 전기를 빛으로 바꾸는 발광효율이 17%에 달해 페로브스카이트 태양전지를 발광 소자로 활용할 수 있음을 증명했다. 지금까지 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 5∼10%에 그쳤다.
서장원 화학연 박사는 "새로운 소재 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높여 전기를 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다는 데 의미가 있다"며 "앞으로 기존 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 근접한 26% 이상으로 올리면서 대면적화하는 연구를 지속하겠다"고 말했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr
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