안전성·최고 효율 모두 달성한 페로브스카이트 태양전지 개발

석상일 UNIST 교수팀, '사이언스' 논문 발표

석상일 UNIST 교수(사진)팀이 안정성을 높이고 효율도 역대 최고 수준을 기록한 새로운 페로브스카이트 태양전지 기술을 선보였다. UNIST 제공

국내 연구팀이 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 전기 생산 효율성을 역대 최고 수준으로 높이면서 안전성까지 확보한 기술을 개발했다. 가볍게 가공해 차량 선루프나 건물 외벽에 붙이는 태양전지를 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 석상일 교수와 김귀수·민한울 연구원팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 핵심 소재의 미세 구조의 변형을 최소화해 안정성을 높이면서 동시에 전기 생산 효율을 역대 최고 수준으로 올리는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 2일자에 발표됐다.

페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합된 특이한 규칙적 입체 구조(결정 구조)를 갖는 광물질이다. 페로브스카이트에 속하는 소재를 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 태양전지를 페로브스카이트 태양전지라고 한다. 저온에서 저렴하게 제작할 수 있는 데다 무게가 가볍고 태양광 각도와 상관없이 전기를 만들 수 있어 건물 외벽이나 차량 선루프 등에 설치할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

페로브스카이트는 태양광을 받으면 전기를 전달하는 입자인 전자와 정공을 만들어 이를 전극으로 보내는 ‘광활성층’ 역할을 하는데, 내부 미세구조에 결함이 많으면 만들어진 전하의 전달 효율이 떨어져 발전 효율이 떨어지고 구조의 안정성도 낮아지는 문제가 있었다.

석 교수팀은 내부에 미세구조 결함이 발생하는 이유로 이온 크기가 맞지 않아 발생하는 구조적 변형을 지목했다. 지난해 11월 ‘사이언스’에 발표했던 논문에서 ‘메틸렌디암모늄’이라는 양이온 물질을 사용해 효율 높은 페로브스카이트 태양전지를 만들었는데, 이 물질이 마치 건물에 커다란 바위나 기둥이 끼어들어가 전체 건물 구조를 비틀거나 파손시키는 것과 비슷한 효과를 낸 것이다. 

개발된 광활성층의 구조(왼쪽)와 페로브스카이트 태양전지 작동 원리를 묘사한 그림이다. 페로브스카이트는 특이한 결정구조를 갖는 광물질로 이를 광활성층으로 삼아 태양광에서 전기를 생산하는 게 페로브스카이트 태양전지다. 이번에 연구팀은 페로브스카이트 내부의 이온 구성을 바꿔 안정성을 대폭 높이고 효율까지 높였다. UNIST 제공

석 교수팀은 이를 해결하기 위해 페로브스카이트를 구성하는 이온의 종류와 비율을 바꿔 내부 결함을 줄였다. 이온 크기가 작은 세슘을 첨가해 메틸렌디암모늄 때문에 생긴 구조 문제를 해결한 것이다. 큰 바위 때문에 생긴 뒤틀림을 해결하기 위해 벽돌을 추가로 넣어 교정한 것과 비슷하다.

그 결과 비틀린 건물을 교정한 것처럼 안정성을 높인 새 페로브스카이트 광활성층을 만들 수 있었다. 새 구조는 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 역대 최고 수준인 25.17%를 기록했다. 이는지금까지 논문을 통해 보고된 가장 높은 효율이다.

석 교수는 “소재 원천기술을 확보해 차세대 태양전지 시장에서 기술적 우위를 차지할 수 있을 것”이라고 말했다.
 

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]