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세계 최고 효율의 태양전지 개발…한국이 기술 선도

중앙일보

입력

페로브스카이트 태양전지를 들고 있는 울산과학기술원(UNIST) 연구진. [사진 UNIST]

페로브스카이트 태양전지를 들고 있는 울산과학기술원(UNIST) 연구진. [사진 UNIST]

국내 연구진이 세계에서 가장 에너지 효율이 뛰어난 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 기존의 실리콘을 대체할 수 있는 소재로, 한국 연구진이 이 분야에서 독보적인 연구 성과를 기록했다.

울산과학기술원(UNIST)·한국에너지기술연구원은 스위스 로잔공대와 공동 개발한 ‘페로브스카이트(Perovskite) 태양전지’가 태양광을 전기로 바꾸는 효율(전환 효율)이 25.6%를 기록했다고 5일 밝혔다. 이번 연구는 5일 국제 학술지 네이처에 실렸는데, 세계적 권위지에 게재된 태양전지 효율 중에서 역대 최고 기록이다.

실리콘 태양전지 대안으로 연구 시작

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발한 물질을 사용한 페로브스카이트 전지는 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%다. [사진 UNIST]

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발한 물질을 사용한 페로브스카이트 전지는 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%다. [사진 UNIST]

태양전지는 친환경 에너지인 태양 빛을 전기로 전환하는 장치다. 태양전지를 상용화하는 관건은 가격과 효율이다. 현재 상용화한 태양전지는 대부분 얇은 규소판인 실리콘 웨이퍼를 광활성층으로 사용하는 ‘실리콘 태양전지’다. 실리콘 태양전지는 전환 효율이 높지만, 제조 공정이 복잡해 생산단가가 비싸다는 약점이 있다.

학자들은 실리콘의 대안 중 하나로 페로브스카이트를 연구 중이다. 페로브스카이트는 원래 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물 이름이지만, 통상 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질을 칭하는 용어로 쓰인다. 화학식으로 표현하면 ABX3 형태다.

국내 연구진이 3연속 최고 효율 신기록

페로브스카이트 태양전지 개발에서는 한국이 선두주자다. 지금까지 페로브스카이트 전지의 최고 효율은 25.4%였다. 지난달 4일 한국화학연구원이 세웠다. 지난해 10월엔 에너지기술연구원이 효율 24.8%를 기록했다고 발표했다. 한국 연구진이 3연속으로 신기록을 세운 것이다.

김동석 에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터장은 “지금 같은 속도라면 1~2년 안에 실리콘 태양전지의 최고 효율(26.2%)을 페로브스카이트 태양전지가 따라잡을 것”이라고 전망했다.

연구진이 개발한 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 쓴 태양전지의 구조(a) . 포메이트를 첨가했을 때(붉은색선) 전력 생산량이 늘어났다(b). 또 미국 뉴포트로부터 잔력 변환 효율을 공인 받았다(c). 습도 안정성(d)과 열 안정성(e)도 안정적이었다. [사진 UNIST]

연구진이 개발한 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 쓴 태양전지의 구조(a) . 포메이트를 첨가했을 때(붉은색선) 전력 생산량이 늘어났다(b). 또 미국 뉴포트로부터 잔력 변환 효율을 공인 받았다(c). 습도 안정성(d)과 열 안정성(e)도 안정적이었다. [사진 UNIST]

합성 간단하고 가격 저렴한 게 장점

페로브스카이트가 주목받는 건 합성이 간단하고 가격이 저렴해서다. 태양전지의 광활성층으로 실리콘 대신 페로브스카이트를 사용하면 제조가 간편해지고 가격도 저렴해질 수 있다. 또 태양의 입사각에 따라 발전효율 편차가 큰 실리콘에 비해, 페로브스카이트는 입사각에 민감하지 않다. 페로브스카이트가 태양광 발전의 원가를 낮출 물질로 주목받는 이유다.

UNIST 연구팀은 페로브스카이트 소재를 구성하는 원소를 할로겐 음이온(X)에서 포메이트(HCOO-) 물질로 교체했더니 전지 효율과 내구성이 개선된다는 사실도 확인했다. 페로브스카이트 소재의 내부 결정이 규칙적일수록 전지 효율이 높아지는데, 포메이트가 페로브스카이트 결정이 규칙적으로 단단하게 성장하는데 영향을 미친다는 점을 발견했다.

김진영 UNIST 에너지화학공학과 교수는 “지금까지 음이온(X) 자리에는 아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만 쓸 수 있다는 고정관념이 있었지만, 우리는 포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는데 착안했다”며 “덕분에 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율을 10% 이상 높일 수 있었다”고 말했다.

상용화 가능성 커…플렉서블 태양전지 나온다

이번 연구가 상용화 가능성이 크다는 평가를 받는 건 이 소재를 활용한 태양전지를 실제로 제작하는 데 성공했기 때문이다. 에너지기술연구원은 UNIST 연구팀이 설계한 태양전지를 제작, 미국 국립재생에너지연구소(NREL)로부터 태양전지 효율(25.2%)을 공식 인증받았다.

김동석 센터장은 “페로브스카이트 연구는 한국이 세계를 선도하고 있다”며 “플렉서블(flexible·휘어지는) 태양전지와 투과형 태양전지, 발광다이오드(LED), 열전소자 등 다양한 분야에 응용할 수 있다”고 전망했다.

문희철 기자 reporter@joongang.co.kr

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