25일자 네이처 표지 논문 이미지.
25일자 네이처 표지 논문 이미지.
차세대 고효율 태양전지 기술을 확보하기 위한 글로벌 경쟁에서 한국 연구진의 활약이 두드러지고 있다. 한국화학연구원 연구진이 ‘페로브스카이트 태양전지’의 효율을 크게 높이는 핵심 소재를 개발해 과학 권위지 ‘네이처’ 25일자 표지 논문으로 실었다. 천연 광물 소재 페로브스카이트로 만든 이 태양전지는 현재 주로 쓰이는 실리콘 태양전지에 비해 가격이 싼 데다 가볍고 유연해 차세대 대체에너지 생산설비로 주목받아왔다. 페로브스카이트 태양전지의 효율성을 획기적으로 높이는 연구가 이어지면서 상용화 시기가 앞당겨질 것으로 기대를 모으고 있다.

세계 최고 효율 기록

한국화학연구원 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지. /한국화학연구원 제공
한국화학연구원 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지. /한국화학연구원 제공
생산 원가가 실리콘 전지보다 20% 이상 저렴한 페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 어려웠던 이유 중 하나는 기존 실리콘 태양전지보다 효율이 낮다는 점이었다. 태양전지의 효율은 빛을 전기로 바꿔주는 비율인 광전변환 효율로 측정한다. 실리콘 태양전지의 광전변환 효율은 26.7% 수준이다. 페로브스카이트 전지의 효율은 25%를 밑돌았다.

서장원 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 이번 연구를 통해 0.1㎠ 면적 기준 25.2%의 효율을 내는 데 성공했다. 2019년 9월 미국신재생에너지연구소(NREL) 집계 기준 세계 최고 기록이다. 연구팀은 당시 연구 결과를 분석·정리해 네이처에 투고했다.

태양전지 효율을 올리기 위해선 전압과 전류를 높이는 게 핵심이다. 연구진은 전압을 높이기 위해 새로운 전자수송층 소재를 개발했다. 기존 소재보다 결함이 적은 구조로 전자의 이동을 수월하게 했다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아진다. 높은 전류를 위해선 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 소재를 합성해냈다.

태양전지 상용화를 위해선 큰 면적에서도 높은 효율을 내는 게 중요하다. 연구팀은 1㎠ 소자 기준에서도 23%의 효율을 기록했다. 이 역시 세계 최고 수준이다. 서 책임연구원은 “앞으로 효율 향상이 더 이뤄진다면 26% 이상의 효율을 내는 것도 가능해 기존 실리콘 태양전지의 최고 효율에 근접할 것으로 기대한다”고 말했다.

세계 기록 경신하는 국내 학계

국내 연구진은 페로브스카이트 연구에서 가장 앞서 있다는 평가를 받는다. 한국화학연구원은 지금까지 NREL 집계 기준 최고 효율성 기록을 일곱 번 갈아치웠다. 현재 최고 기록은 지난해 25.5%의 효율을 기록한 석상일 UNIST(울산과학기술원) 교수팀이 갖고 있다. 산업계에서도 페로브스카이트 전지에 대한 관심이 이어지고 있다. 한화솔루션은 이르면 2023년 페로브스카이트를 활용한 태양전지를 생산할 계획이다.

짧은 수명과 낮은 안정성 문제는 상용화의 걸림돌이다. 서 책임연구원은 “작은 단위소자에서 안정성 문제는 상당 부분 개선된 상황”이라며 “추가적인 연구가 필요하겠지만 상용화 측면에서 긍정적으로 기대하고 있다”고 말했다.

이번 연구에는 신성식 한국화학연구원 선임연구원이 공동 교신저자로 참여했다. 서갑경 학생연구원, 유정원 전문연구요원이 공동 1저자로 이름을 올렸다. 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 국가과학기술연구회 등의 지원을 받았다.

최한종 기자 onebell@hankyung.com