韓 연구진 일냈다…'효율 극대화' 하이브리드 태양전지 개발

장성연 UNIST 교수팀 페로브스카이트 소재 약점 보완
기존 실리콘 태양전지보다 대량생산 유리·비용 저렴

UNIST 에너지화학공학과 장성연 교수팀 [사진=UNIST 제공]

국내 대학 연구진이 이종 소재 하이브리드 태양전지 개발에 성공했다. 무기 '페로브스카이트'(perovskite) 태양전지의 상용화가 성큼 다가왔다는 평가가 나온다. 해당 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스트 에너지 머티어리얼스' 10월6일자로 출판됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장성연 교수팀이 이종 소재 하이브리드 태양전지를 개발해 효율을 획기적으로 향상시켰다고 22일 밝혔다.

연구진이 개발한 무기 페로브스카이트 태양전지는 12.5%인 기존의 효율을 업계 상용화 효율 분기점인 20%에 가까운 18.04%로 끌어올렸다.

이는 무기 페로브스카이트 태양전지와 성질이 다른 고분자 태양전지를 이어 붙인 '1+1 기술'이다. 무기 페로브스카이트 물질이 흡수하지 못하는 태양광 근적외선 영역을 고분자 소재가 대신 흡수하는 방법으로 전지 효율을 높였다.

광흡수 소재(광활성층)로 무기물 페로브스카이트를 쓰면 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 열에 대한 안정성이 훨씬 우수한 태양전지를 만들 수 있다. 휘발성 물질이 없고 구조적으로 안정하기 때문이다. 하지만 이 물질로 태양전지로 만들었을 때 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 효율이 떨어진다.

개발된 무기 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 구조와 성능 [자료=UNIST 제공]

장성연 교수는 "광학시뮬레이션을 통해 상호보완적인 태양광 흡수 영역을 갖는 페로브스카이트와 고분자 소재를 각각 디자인하고 두 개의 단위 전지를 결합할 때 발생하는 '전압 손실'을 최소화해 효율을 높였다"고 설명했다.

특히 연구팀이 개발한 전지는 전체 제조 공정을 '저온용액공정법'을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 이는 액체(용매)에 전지재료를 분산시킨 뒤 인쇄하듯 찍어내는 방식이다. 기존 실리콘 태양전지보다 대량생산에 유리하고 제조 비용도 저렴하다.

장성연 교수는 "이번에 개발된 하이브리드 탠덤 태양전지는 각 소재가 갖는 장점을 최대치로 끌어내는 기술이 적용됐다"며 "이를 통해 향후 28% 이상의 고효율·고안정성 무기 페로브스카이트 기반 태양전지를 개발할 수 있을 것"이라고 내다봤다.

강경주 한경닷컴 기자 qurasoha@hankyung.com