울산과학기술원과 한국에너지기술연구원 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율을 경신

 울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연구원 연구진은 '페로브스카이트'(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율을 경신했다고 6일 밝혔다.

UNIST 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 공동 연구팀에 따르면 이 수치는 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다.

페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체 구조를 갖는 물질로, 합성이 쉽고 저렴하다. 이 때문에 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 것으로 기대되고 있다.

그러나 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용 실리콘 태양 전지에 못 미치고 내구성도 떨어진다. 공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액 함량 2%)를 '포메이트'라는 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 높이는 데 성공했다.

포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하는 것을 돕는데, 이는 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다.

입체 구조가 규칙적으로 잘 자란 소재를 쓰면 전지 효율이 높다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상했다고 연구팀은 설명했다.

페로브스카이트 태양전지 효율 세계 기록을 경신한 공동 연구팀(뒷줄 왼쪽부터 시계방향으로 김진영 UNIST 교수, 김동석 KIER 연구원, 윤영진 UNIST 연구원, 김민진 KIER 연구원, 서종득 UNIST 연구원)

UNIST 김진영 에너지화학공학과 교수는 "아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다"며 "포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다"고 설명했다.

한국에너지기술연구원 김동석(울산차세대전지연구개발센터장) 박사팀은 전지 제작을 담당했다. 김동석 박사는 "개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록도 확보했다"며 "동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것"이라고 기대했다.

제1저자인 정재기 UNIST 박사(현 로잔공대)는 "포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미가 크다"며 "이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 저명 국제학술지 '네이처'(Nature)에 5일 자로 게재됐다.

강경주 기자 qurasoha@hankyung.com

https://www.hankyung.com/it/article/2021040635857