한국화학연구원 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트  태양전지의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 소재 기술 개발에 성공해 네이처지 표지논문에 선정됐다. 

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조의 물질로 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념해 명명했다. 

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 이동을 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. 

또한 연구팀은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발했다. 페로브스카이트 층 소재는 원래 페로브스카이트 결정구조로 이루어져 있는데 이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다.

연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보하기 위해 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬(Br)의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성했다.  그 결과 전지가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아졌고 효율이 향상됐다. 

위 두 가지 새로운 소재를 통해 전류와 전압을 모두 높인 결과 0.1㎠에서는 25.2%를 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 기록했으며, 본 연구성과는 ‘Efficient perovskite solar cells via improved carrier management’ 제목으로 네이처지 표지논문에 선정돼 2월 25일에(한국시간) 온라인 발표됐다. 

한편 이번 논문에서는 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 그쳤지만 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.   

한국화학연구원 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. 

공동 교신저자 신성식 박사는 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다"며 "앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.