실리콘 태양전지에 한층 가까운 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현

2차원과 3차원 페로브스카이트 접합해 효율 23.91%까지 끌어올려

기존 실리콘 소재보다 쉬운 공정으로 만들면서도 광전변환효율이 크게 떨어지지 않는 페로브스카이트 태양전지가 개발됐다. 태양에너지가 전기로 전환되는 비율인 광전변환효율은 23.91%로 기존 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 더욱 가까워졌다. 게티이미지뱅크 제공

기존 실리콘 소재보다 쉬운 공정으로 만들면서도 광전변환효율이 크게 떨어지지 않는 페로브스카이트 태양전지가 개발됐다. 태양에너지가 전기로 전환되는 비율인 광전변환효율은 23.91%로 기존 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 더욱 가까워졌다.

신현정 성균관대 에너지과학과 교수와 박남규 화학공학고분자공학부 교수팀은 박종혁 연세대 화공생명공학과 교수팀과 함께 2차원과 3차원 페로브스카이트를 결합하는 방식으로 기존보다 광전변환효율이 뛰어난 페로브스카이트 전지를 개발했다고 17일 밝혔다. 

페로브스카이트는 실리콘을 대체할 가장 유력한 태양전지 소재 후보다. 전기전도성이 뛰어난 데다 실리콘보다 가볍고 유연하며 생산비용도 약 3분의 1 가량 저렴하다. 실리콘 태양전지(1400도 이상)보다 비교적 낮은 온도인 100도에서 만들 수 있고 두께도 60분의 1 수준이다.

문제는 지금까지 기술 수준으로는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율이 실리콘 전지에 비해 떨어진다는 점이다. 2009년 처음으로 페로브스카이트 태양전지가 만들어졌을 당시 광전변환효율이 3.8%에 그쳤다.

전세계 태양전지 연구자들은 이런 한계점을 극복하고 실리콘 전지만큼 우수한 페로브스카이트 태양전지를 개발하기 위해 경쟁 중이다. 특히 태양전지의 광전변환 효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다. 표면의 납과 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용해 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 

신 교수 공동연구팀은 광전변환 효율이 다소 떨어지는 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 갖고 있는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합해 이 한계점을 해결했다. 기존에도 2차원 페로브스카이트와 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 연구가 있었지만, 2차원 물질의 생성 에너지가 높아 접합 후 가열 처리나 압력을 가하는 공정을 반드시 거쳐야 하는 번거로움이 있었다.  

연구팀은 형성 에너지가 낮아 2차원 페로브스카이트 구조를 만들기 쉬운 '사이클로헥실암모늄 계열의 분자'를 활용해 이 문제를 해결했다. 분자들이 스스로 3차원 페로브스카이트 표면에 자발적으로 접합하면서 2차원 형태의 구조를 형성했다. 이 덕분에 열을 가하는 후처리 과정이 필요 없게 됐다. 

이렇게 제작한 이종접합 구조에서는 후속 처리를 가해 만든 구조에서보다 전하가 원활하게 이동하면서 광전변환 효율도 23.91%나 됐다. 기존 단일 구조(20.41%)보다도 상당히 끌어올린 결과다. 

이 연구 결과는 지난달 20일 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 온란인판에 발표됐다. 이번 연구에는 이동화 포스텍 신소재공학과 연구팀의 이론 연구와 안형주 포항가속기연구소 산업기술융합센터 방사광응용팀 연구원팀의 가속기 고도분석도 포함됐다.

신현정 성균관대 에너지과학과 교수. 한국연구재단 제공

[이정아 기자 zzunga@donga.com]