주석 페로브스카이트 태양전지 효율 14% 달성

화학연, 고려대·성균관대·케냐 나이로비대와 연구

페로브스카이트 필름층에 첨가제 추가해 성능 개선

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 독성 금속인 납을 빼고 주석을 주원료로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높였다.

한국화학연구원은 송창은 박사 연구팀이 임상혁 고려대 교수, 정재기 성균관대 교수, 엘리야 오몰로 아위(Elijah Omollo Ayi) 케냐 나이로비대 교수 연구팀과 주석 기반 페로브스카이트 태양전지에 중간층을 도입하거나 첨가제를 넣어 효율과 안정성을 높인 기술을 국제학술지에 게재했다고 1일 밝혔다.

주요 논문 기여자.(왼쪽부터)류두현 박사과정생(왼쪽)과 송창은 책임연구원(오른쪽).(사진=한국화학연구원)

페로브스카이트 태양전지는 경제성 덕분에 차세대 태양전지로 유망하다. 페로브스카이트는 특정한 구조의 물질을 모두 포함한 용어로 납이나 주석으로 만든 페로브스카이트 구조 결정은 빛을 전기로 바꾸는 특성이 우수하다. 두 재료 중 납은 효율이 더 높지만 독성으로 인한 잠재적 위험성이 있고, 주석은 친환경적이나 효율이 낮다.

주석 페로브스카이트 태양전지는 주석 이온이 공기 중 산소와 만나 쉽게 산화된다. 이는 결함으로 이어져 안정성을 낮추고, 전하 이동을 방해해 빛·전기 변환 효율이 떨어진다. 연구자들은 전하 이동을 높이는 물질로 10.1%의 효율을 얻거나, 결함감소용 첨가제를 넣어 12.2%로 높이는 등 다양한 시도를 하고 있다.

연구팀은 새로운 기술을 접목하여 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 안정성을 높였다. 지난 달 논문에서는 페로브스카이트 필름층에 ‘어븀 염화물(ErCl3)’을 첨가했다. 첨가제는 주석이 산화되는 것을 방지하는 역할을 하고, 액체 상태의 페로브스카이트가 필름으로 굳을 때 균일하고 큰 결정 생성을 통해 결함을 줄이고 전자 이동을 도와줬다.

그 결과, 효율이 14%를 나타냈다. 1300시간 후에는 80% 상태를 유지했다. 연구팀은 향후 실용화를 하려면 추가 성능을 개선해야 하고, 대규모 생산 시 성능 유지, 외부 환경에서 고온·습기·자외선에 대한 장기 안정성 검증이 필요하다고 설명했다.

이영국 화학연 원장은 “친환경 차세대 태양전지 분야 기술 경쟁력을 높이고, 미래 시장 선점에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 에너지 과학 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters) 표지 논문으로 선정됐으며, 친환경 소재·에너지 분야 국제 학술지 ’에코맷(EcoMat)‘에 게재됐다.