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차세대 태양전지 개발, 한국이 주도한다

최종수정 2021.02.25 06:42 기사입력 2021.02.25 01:00

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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

페로브스카이트 태양전지 구성. 그림 제공=한국화학연구원

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[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
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