화학연 개발 초고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘네이처’ 표지논문 게재
화학연 개발 초고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘네이처’ 표지논문 게재
  • 이성현 기자
  • 승인 2021.02.25 01:00
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화학연 개발 페로브스카이트 태양전지 기술이 네이처지 표지논문에 선정됐다.
화학연 개발 페로브스카이트 태양전지 기술이 네이처지 표지논문에 선정됐다.

한국화학연구원 연구팀이 개발한 초고효율 페로브스카이트 태양전지 핵심 소재 기술이 네이처지 표지논문에 선정됐다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을 때 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있어 최근 큰 주목을 받아왔다.

그러나 기존 실리콘 태양전지의 광전변환효율에 비해 여전히 효율이 낮아 상용화가 어려운 상황이다.

연구팀이 개발한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%를 기록하고 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성해, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성을 보여줬다.

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 한국화학연구원 서장원 박사팀은 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.

연구팀이 개발한 새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자의 수송(이동)을 원활하게 할 수 있다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아지고, 높은 전압은 높은 효율로 이어진다.

연구팀은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 화학용액증착법을 개발했다. 화학용액증착법은 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 기술이다.

연구팀은 특히 전자수송층으로 사용되는 주석산화물 소재가 강한 산성 환경(pH<2)에서 결함이 줄어든다는 것을 발견하고, 다양한 합성 변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층을 개발하는 데 성공했다.

한편 이번 논문에서는 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다.

발광효율은 기존 약 5~10%보다 높은 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.

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

공동 교신저자 신성식 박사도 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했기 때문에, 앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 보인다”고 강조했다.

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