차세대 태양전지 개발, 한국이 주도한다

국내 연구진 차세대 태양전지 관련 연구 논문, 두달 연속 네이처 표지 장식
지난 1월 '광사태' 논문 이어 25일 페로브스카이트 태양전지 소재 논문도 표지에 실려

페로브스카이트 태양전지 구성. 그림 제공=한국화학연구원

[아시아경제 김봉수 기자] 한국 연구진들의 차세대 태양전지 소재 관련 연구 논문이 두 달 연속 국제학술지 '네이처'의 표지를 장식했다. 모두 빛을 전기에너지로 바꾸는 효율을 높이고 다양한 모양으로 태양전지를 만들 수 있도록 하는 핵심 기술들이다. 지구 온난화에 따른 신재생에너지원 개발을 위한 국제적 경쟁이 가속화되고 있는 상황에서 한국이 태양광 연구개발(R&D)를 주도하고 있는 모양새다.

25일 한국화학연구원에 따르면, 네이처는 25일자 표지 논문으로 이 연구원 서장원 박사팀이 개발한 초고효율 페로브스카이트 태양전지용 핵심 소재(전자수송층ㆍ페로브스카이트층) 개발 관련 논문을 선정해 게재했다. 태양전지 성능의 핵심인 광전변환효율(빛을 전기로 바꿔주는 비율)을 최고 25.2%로 높여줄 수 있는 페로브스카이트 태양전지 핵심 소재를 개발한 성과를 인정받았기 때문이다.

페로브스카이트 태양전지는 3세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 기존의 실리콘(규소) 소재와 비교했을 때 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 또 구부러지거나 접을 수 있는 롤러블 태양전지로도 가공할 수 있어 자동차ㆍ비행기 지붕 등 다양한 곳에 활용할 수 있다는 장점도 있다. 문제는 아직까지는 광전변환효율이 실리콘(26.7%)에 비해 현저히 낮다는 점이다.

이에 연구팀은 새로운 소재 및 가공법을 개발했다. 전압ㆍ전류를 높이기 위해 전자수송층 소재(주석 산화물)ㆍ페로브스카이트 층 소재를 만들어 냈다. 연구팀은 투명 전극 위에 주석 산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 화학용액증착법을 고안해 냈는데, 결함이 적어 전자의 수송이 원활해 전압이 높아지는 효과를 발휘했다.

또 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법도 개발했다. 페로브스카이트 층의 소재는 빛을 잘 흡수하는 검정색 결정와 그렇지 못한 노란색 결정이 섞여 있는 데, 연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보하기 위해 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬(Br)의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성했다. 이 결과 전자가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아지게 됐다.

연구팀은 이같은 두 가지 새 소재를 통해 전류ㆍ전압을 높인 결과 0.1㎠ 소자에선 25.2%, 1㎠ 소자에선 23%의 높은 효율을 기록했다. 전세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 효율이 최고 10%대 였던 것을 보면 괄목할 만한 성과다. 연구팀이 개발해낸 소재들은 또 17%의 높은 발광효율을 기록해 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성도 보여줬다. 연구팀은 2019년 9월 이미 이같은 연구 결과를 도출해 미 신재생에너지연구소(NREL)로부터 공식 인증을 받은 바 있다. 세계적으로 가장 권위있는 국제학술지 네이처도 이를 인정해 이날자 표지 논문으로 서 박사팀의 연구 결과를 게재했다.

서장원 화학연 책임연구원은 "25%이상의 높은 효율은 이론 효율의 80%에 해당된다"면서 "앞으로 효율 향상이 좀 더 이뤄진다면 26% 이상도 가능하기 때문에 실리콘 태양전지의 최고효율인 26.7%에 근접할 수도 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 화학연 소속 또 다른 연구팀도 지난달 태양광 소재 관련 독보적 연구 결과를 발표해 네이처 표지 논문에 선정된 바 있다. 서영덕ㆍ남상환 의약바이오연구본부 박사팀은 세계 최초로 '나노입자 광사태 현상'을 발견해 지난 1월14일자 네이처 표지 논문에 게재했다.

보통 물질에는 각각의 고유한 에너지 레벨이 있어서 증폭되었을 때 방출되는 빛의 에너지도 일정하다. 그러나 이 연구팀은 툴륨(Tm)이란 원소를 독특한 원자 격자 구조의 나노 물질로 만든 다음 작은 에너지의 빛을 약하게 쪼였는데 연쇄 증폭 반응이 일어나면서 최대 40%나 강한 빛을 만들어 냈다. 연구팀은 이를 세계 최초로 관측, 눈사태에 비유해 '광사태'라는 이름까지 붙였다.

이같은 발견은 빛의 흡수 효율이 핵심인 차세대 태양전지는 물론 자율주행차 부품 개발, 인공위성 등 첨단 사물인터넷(IoT)용 센서, 빛을 활용한 광유전학 연구나 광소재, 디스플레이 관련 산업 등 활용 분야가 무궁무진할 것으로 예측되고 있다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr