울산과학기술원(UNIST)은 석상일 에너지및화학공학부 교수 연구팀이 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들어 이를 태양전지에 적용해 효율과 안정성, 내구성을 높인 연구결과를 사이언스 7일자 온라인판에 발표했다고 밝혔다. 

페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만들기 때문에 저렴하고 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있다. 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지 후보로 꼽힌다. 

태양전지의 핵심은 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는 광활성층이다. 이 부분이 얼마나 튼튼하고 안정적인지, 또 빛을 전기로 바꾸는 광전 효율이 얼마나 높은지가 상용화의 관건이다. 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰인다. 광활성층에 대한 안정성을 강화하고 효율을 높이는 게 그동안 과제였다. 

광활성층의 효율은 페로브스카이트 물질의 원자 내부 전자의 에너지 구조인 ‘밴드 갭(Band Gap)’에 의해 결정된다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어진다. 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요한 이유다. 

기존 광활성층은 페로브스카이트 결정 구조가 바뀌지 않도록 첨가했던 메틸암모늄이나 브롬 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓히는 부작용이 있었다. 결정 구조의 안정성을 유지하기 위한 첨가물이 광활성층의 효율을 낮추는 작용을 한 것이다. 

석상일 교수 연구팀은 브롬과 메틸암모늄을 대체하는 메틸렌다이암모늄을 첨가했다. 이 물질은 페로브스카이트 결정구조를 안정적으로 만드는 동시에 광활성층의 효율도 유지시켰다. 메틸렌다이암모늄을 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 광전 효율은 23.7%로 기존과 크게 다르지 않은 것으로 나타났다. 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동한 것으로 분석됐다.

석 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 연구를 세계적으로 선도하고 있다. 이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓혔다. 

석상일 교수는 “논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했다”며 “UNIST 창업기업인 프론티어에너지솔루션과 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지 상용화 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.