세계 최고수준 하이브리드 태양전지, 국내 연구팀이 개발

친환경적이지만 발전단가가 비싼 태양전지의 단점을 극복할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 한국화학연구원 석상일 박사(성균관대 에너지과학과 겸직 교수) 연구팀은 값싼 무기물과 유기물을 결합한 무ㆍ유기 하이브리드 페로브스카이트(perovskite) 태양전지를 개발해 기존 태양전지에 육박하는 효율(18.4%)를 내는데 성공했다고 7일 밝혔다. 저명 과학저널인 ‘네이처(Nature)’ 온라인판에 소개된 논문을 통해서다.

태양전지는 무한한 청정 에너지인 태양 빛을 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 하지만 현재 쓰이는 대부분의 태양전지는 고순도의 실리콘을 사용해 광전(光電)변환효율은 높지만(약 20%) 제조공정이 복잡하고 값이 비싼 게 단점이다. 이에 값싼 무ㆍ유기물을 섞어 같은 효율을 내려는 시도가 이어져 왔다. 천연 광물인 페로브스카이트(perovskite, CaTiO3)와 같은 결정구조를 갖는 무ㆍ유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 대표적이다. 하지만 이 전지는 제조방법이 간단하고 값이 싼 반면 효율이 실리콘 전지에 크게 못 미치는 한계를 보였다.

석상일 박사팀은 포름아미디늄ㆍ메틸암모늄(유기물)과 납ㆍ할로겐화물(무기물)을 결합한 페로브스카이트 태양전지에 저가의 화학소재를 코팅하는 방법으로 이런 한계를 뛰어넘었다. 연구진이 개발한 전지는 자체 측정 효율 18.4%, 미국 재생에너지연구소(NREL) 공인 효율 17.9%를 기록했다.그간 개발된 페로브스카이트 태양전지 가운데 세계 최고 수준의 효율이다. 연구팀은 “이번에 ‘네이처’에 실린 논문은 지난해 9월에 투고한 것”이라며 “투고 후 기술개발을 계속해 RNEL 효율 차트에서 가장 높은 20.1%로 공식 등재됐다”고 밝혔다.

석 박사는 “전지를 대면적 연속공정을 만들 수 있는 기술을 개발하면 실용화가 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구팀은 실용화에 성공하면 기존 실리콘 전지의 약 1/3 가격의 태양전지 생산이 가능할 것으로 예상하고 있다.

앞서 석 박사팀은 2013년 무ㆍ유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 구조 기술, 지난해 같은 전지의 박막제조 용액 기술을 개발해 각각 ‘네이처 포토닉스’ ‘네이처 머티리얼스’ 지에 논문을 발표했다. 이번에 개발한 태양전지는 두 기술을 결합해 거둔 연구성과다.

김한별 기자 idstar@joongang.co.kr