고효율 페로브스카이트 태양전지, 국내 연구진 개발

광(光) 포집기능과 전하 추출능력이 뛰어난 페로브스카이트 태양전지를 국내 연구진이 개발했다. 에너지 효율이 높고(17.01%) 편차가 적어(0.4% 이하) 실용화에 유리할 것으로 예상된다.

성균관대 화학공학부 박남규 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정 구조를 바꿔 고효율 태양전지를 만드는데 성공했다고 10일 밝혔다. 연구결과는 세계적 과학저널 ‘네이처(Nature)’의 자매지인 ‘네이처 나노테크놀로지’ 온라인판에 최근 게재됐다. 미국 MIT대가 발간하는 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’에도 소개됐다.

태양광 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 태양전지는 핵심 소재에 따라 크게 실리콘 등 무기 반도체소재로 만드는 n-p 다이오드형 태양전지, 유기 및 염료감응형 태양전지, 유ㆍ무기 하이브리드형 태양전지 3종류로 나뉜다. 이중 결정질 실리콘 태양전지가 현재 시장의 약 90% 이상을 차지하고 있는데 에너지 전환 효율이 높은 반면(약 20% 안팎) 제조가격이 비싼 게 단점으로 꼽힌다. 반면 유기 및 염료감응 태양전지는 값싸게 만들 수 있는 대신 에너지 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 이에 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 유ㆍ무기 하이브리드형인 페로브스카이트 태양전지가 제 3의 대안으로 떠오르고 있다.

페로브스카이트(perovskite)는 천연 광물인 페로브스카이트(CaTiO3)와 같이 AMX3형 화학식을 갖는 결정 구조체다. AㆍM은 금속 양이온, X는 할로겐화물(halide) 또는 산화물(oxide)을 포함하는 음이온을 가리킨다. 종류는 A·B·X에 어떤 원자(또는 작용기)가 있느냐에 따라 수백 종이 있는데, 부도체ㆍ반도체ㆍ부도체의 성질을 띠고 초전도 현상까지 보이는 게 특징이다.

박남규 교수팀은 오드화메틸암모늄(CH3NH3I)과 요오드화납 (PbI2)을 이용해 페로브스카이트를 만들었다. 이 과정에서 유기물인 요오드화메틸암모늄의 농도를 낮추면 페로브스카이트 결정의 크기가 커지고 반대로 농도를 높이면 결정이 크게 자라는 사실을 발견했다. 또 결정이 커지면 작은 결정에 비해 빛을 모으는(광 포집) 특성이 좋아지고 빛에 의해 만들어진 전자를 추출하는 효율이 높아짐을 확인했다.

연구팀은 이를 토대로 페로브스카이트 결정을 크게 만들어 광전류 21.64㎃/㎠, 광전압 1.056V에 효율 17.01%의 태양전지를 만들었다. 이는 기존에 개발된 페로브스카이트 전지 효율(약 16%)을 웃도는 수치다. 또 평균효율의 표준편차가 0.4% 이하로써 공정 재현성도 우수해 양산화에도 바로 적용할 수 있을 것으로 연구진은 예상하고 있다.

김한별 기자 idstar@joongang.co.kr