국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 효율을 세계 최초로 20.1 %까지 끌어올리는 새로운 공정기술을 개발했다.

한국화학연구원 석상일 박사(성균관대학교 에너지과학과 교수 겸직)가 주도하고 노준홍 박사, 양운석 박사 과정의 학생으로 구성된 연구팀은 지난 1월 개발한 페로브스카이트 태양전지의 추가적인 효율 향상을 위해 ‘화학분자 교환법’이라는 새로운 방식의 제조 공정을 개발, 이를 이용해 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있는 고품질의 박막을 제조했다고 최근 밝혔다.

‘화학분자 교환법’은 서로 다른 화학분자가 순간적으로 교환될 수 있는 공정으로 결함이 적고 결정성이 우수한 화학물질을 제조하는 방법이다. 용액공정을 이용해 대규모로 제작할 수 있는 장점이 있다. 이 공정을 통해 제작된 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 비슷한 에너지 변환효율 20.1 %를 나타내게 된다.

태양전지는 태양에너지를 유용한 에너지원으로 바꿔 사용할 수 있는 가장 효율적인 방법으로 알려졌지만 현재 90 % 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 고도의 기술과 다량의 에너지로 인해 고가의 가격이 단점으로 제기돼왔다. 이와 대조적으로 저가로 제작 가능해 많은 연구가 진행됐던 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 차세대 태양전지의 경우 낮은 효율로 인해 대규모 상용화에 어려움을 가지고 있었다.



연구진은 내구성이 우수한 염료감응 태양전자의 구조적 장점, 인쇄와 같은 저가공정이 가능한 유기태양전지의 장점, 무기물과 유기물이 결합된 하이브리드 소재의 장점 등 각각이 가진 장점을 최대화하는 기술적 융합을 추구하고자 연구를 시작해 이와 같은 결과를 얻었다고 밝혔다. 

연구진은 “고효율이며 저가격인 태양전지의 제조에 활용될 수 있으며, 향후 대면적, 모듈화 등 상용화 기술과 결합해 화석 연료와 경쟁력 있는 신재생 에너지 기술 등에 다양하게 활용이 가능하다”며 “기존 발표한 페로브스카이트 태양전지에서 결정성이 우수하고 균일한 박막 형성이 어려웠던 소재에 대해 분자 교환법이라는 새로운 방법을 도입해 고효율 태양전지 기술을 개발한 데 의미가 있다”고 밝혔다.

연구진은 2012년부터 무기물과 유기물을 화학적으로 합성한 태양전지 소재 연구를 시작했다. 기존 페로브스카이트 태양전지보다 고효율 소재(광전변환 효율: 18.4 %, 공식 인증 효율: 17.9 %)를 합성하는데 성공했으며 올해 1월 네이처에 신규 페로브스카이트 조성을 설계·합성하는 연구 결과를 발표한 바 있다.

석상일 박사는 “세계적으로 이슈가 되고 있는 미래 신재생 에너지 경쟁에서 선두를 점할 수 있는 원천기술을 국내에서 개발했다는 데 의미가 있으며, 이번 개발된 공정 기술은 대규모 연속공정 기술에 쉽게 적용할 수 있어 빠른 상용화가 가능할 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 사이언스 익스프레스판에 최근 게재됐으며, 사이언스 온라인 판 및 저널지에도 게재될 예정이다.
아울러 이번 성과로 정부의 차세대 태양전지 핵심기술 개발 및 신산업 활성화에도 더욱 탄력이 붙을 전망이다.