고효율 태양전지를 값싸고 손쉽게 만들 수 있는 길 열려

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

한국화학연구원 석상일 박사(성균관대학교 에너지과학과 교수 겸직)가 주도하고 양운석 박사과정, 노준홍 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌연구실사업 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 국제학술지 사이언스(Science, IF=31.477) 5월 21일자(현지시각 오후 2시) 익스프레스(Express)판에 게재되었으며, 향후 사이언스 온라인 판 및 저널지에도 게재될 예정이다.

본 연구진은 `12년부터 무기물과 유기물을 화학적으로 합성한 태양전지 소재 연구를 시작했으며, 기존 페로브스카이트 태양전지보다 고효율의 소재(광전변환 효율: 18.4 %, 공식 인증 효율: 17.9 %)를 합성하는데 성공하고 `15년 1월 네이처(Nature, IF=42.351)지에 신규 페로브스카이트 조성을 설계·합성하는 연구 결과를 발표한 바 있다.

연구팀은 1월 개발한 페로브스카이트 태양전지의 추가 효율 향상을 위해 ‘화학분자 교환법’이라는 새로운 방식의 제조 공정을 개발하였고, 이를 이용하여 태양광을 더 효과적으로 흡수할 수 있는 고품질의 박막을 제조할 수 있었다.

‘화학분자 교환법’은 서로 다른 화학분자가 순간적으로 교환될 수 있는 공정으로써, 결함이 적고 결정성이 우수한 화학물질을 제조하는 방법이며, 용액공정을 이용해 대규모로 제작할 수 있는 장점이 있다.
* 동 연구에서는 고품질의 페로브스카이트 구조를 갖는 물질인 FAPbI3 (formamidinium lead iodide)을 제조하기 위해 PbI2(DMSO)을 우선 형성한 후 이 화합물의 DMSO(dimethylsulfoxide)를 FAI와 순간적으로 교환함으로써 페로브스카이트 구조를 형성한다.

이 공정을 통해 제작된 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 비슷한 에너지 변환효율 20.1%를 나타내며, 미국 재생에너지연구소(NREL)에서 공식 인증 받았다.

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 밝혔다.

아울러, 이번 성과로 정부가 지난 `15. 4월 기후변화 대응을 위한 ‘에너지 신산업 및 핵심 기술개발 전략’ 이행계획을 통해 밝혔던 차세대 태양전지 핵심기술 개발 및 신산업 활성화에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다.