재현성이 뛰어난 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발

국내 연구진이 페로브스카이트 결정을 크게 성장시켜 효율을 높인 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
박남규 성균관대 교수팀은 페로브스카이트 결정 성장을 제어하는 기술을 통해 재현성이 뛰어나고 광포집(light harvesting) 기능과 전하추출능력(charge carrier extraction)이 우수한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 10일 밝혔다.
페로브스카이트란 ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체.반도체.도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다. 특히 양이온에 유기물을 사용할 경우 태양전지 특성이 우수한 물질이 된다. 따라서 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 낮은 발전단가로 인해 태양광 시장에서 차세대 태양전지로 최근 중요성이 부각되고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 투명전도성 기판 위에 탄소와 질소로 이루어진 유기물 용액과 요오드 기반의 무기물 용액을 코팅해 매우 얇은 페로브스카이트 필름을 만든다. 이때 페로브스카이트 필름을 어떻게 만드는가에 따라 태양전지 성능이 달라진다. 빛을 매우 잘 흡수하고 전자를 많이 모을 수 있게 페로브스카이트 필름을 설계.제조하면 최대의 전기를 생산할 수 있다.
연구팀은 이 페로브스카이트 필름을 만들 때 유기물 농도를 크게 하면 페로브스카이트 결정이 작아지는 반면 유기물 농도를 줄이면 페로브스카이트 결정이 크게 성장하는 것을 발견했다. 또한 큰 결정이 작은 결정에 비해 빛을 이용하는 특성도 우수하고 빛에 의해 생성된 전자를 효율적으로 추출할 수 있는 능력을 가진다는 것을 분광학적 분석을 통해 확인했다. 이러한 페로브스카이트 결정을 크게 성장시키는 기술을 활용해 연구팀은 광전류 21.64mA/cm2, 광전압 1.056V인 17.01%의 고효율 태양전지 개발에 성공한 것이다.
박남규 교수는 "이전에 개발한 페로브스카이트 태양전지의 효율인 16%를 뛰어 넘는 우수한 성과"라며 "공정 재현성도 우수하기 때문에 양산화에도 바로 적용할 수 있을 것으로 예상된다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제학술지인 '네이처 나노테크놀로지' 8월 31일 온라인자에 실렸으며 미국 메사추세츠공대(MIT)에서 발간하는 'MIT 테크놀로지 리뷰'지에도 소개됐다.
[김미연 기자]