김동호 교수 공동 연구팀, 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발

평균 효율 20%로 세계 최고 수준 달성

세계 최고 학술지 ‘네이처 에너지’에 결과 발표

요즘 길을 걷다보면 눈에 띄게 늘어난 것이 있다. 바로 지붕 위의 태양전지다. 태양전지는 태양에너지를 우리가 사용할 수 있는 전기에너지로 바꿔주는데, 최근 우리가 자주 접하는 태양전지들은 대부분 실리콘을 사용해 만든 태양전지다. 이와 같은 실리콘 태양전지의 약점은 바로 높은 가격인데 연구자들과 기업들은 이 문제를 해결하기 위해 공정 과정을 개선하는 한편, 실리콘을 대체할 만한 차세대 물질을 찾는 데에 관심을 기울이고 있다.

그 가운데 물질의 구조를 처음 밝혀낸 레프 페로브스키(Lev Perovski)의 이름을 딴 차세대물질 ‘페로브스카이트(Organic·Inorganic Halide Perovskite)’가 주목을 받고 있다. 김동호 교수 연구팀은 성균관대학교 박남규 교수팀과 공동으로 이 페로브스카이트 물질을 이용해 효율 20%가 넘는 태양전지 제작 방법을 고안해냈다. 태양에너지를 100으로 볼 때 20만큼의 에너지를 전기로 바꿀 수 있는 셈이다. 이 수치는 학술 논문에 공식 발표된 기록으로 세계 최고 수준에 달한다.

이번 연구에서 사용된 페로브스카이트 기반 태양전지는 제조 과정이 비교적 간단하고 경제적이라고 평가 받는다. 더불어 공동연구팀이 높은 효율을 갖는 소자 개발에 성공하면서 상용화가 앞당겨지게 되었다. 본 연구 결과는 에너지 과학 및 기술분야 최고 권위의 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 7월호에 발표됐다.

(좌)김동호 교수, (우)최융지 석박사 통합과정 학생

페로브스카이트 태양전지를 제조할 때에는, 수백 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 크기의 작은 페로브스카이트 결정들로 구성된 얇은 막(박막)을 사용한다. 이 작은 결정들 간의 경계를 결정립계(Grain Boundary)라고 부르는데, 이 결정립계는 결함(Surface Trap)이라고 불리는 일종의 ‘덫’을 이용하여 전하수송체를 가둔다. 전하수송체는 태양에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 주체이기 때문에 결정에서 이웃한 결정으로 자유롭게 전달되어야만 하는데, 이 전달 과정에서 결정립계가 이를 방해하는 ‘바리케이드’ 역할을 하면서 태양전지의 효율에 치명적인 영향을 미친다.

공동연구팀은 이번 연구에서 바로 이 결정립계의 성질을 크게 개선시킬 수 있는 방법을 밝혀냈다. 페로브스카이트 박막을 만들 때 사용되는 재료(전구체)인 요오드화메틸암모늄(CH3NH3I)이라는 물질을 기존보다 조금 더 넣기만 하면 되는 아주 간단한 방법으로 이 문제를 해결해냈다. 이 연구 결과를 토대로 태양전지를 제작한 결과, 20% 이상의 세계 최고 수준 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공할 수 있었다.

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[그림2] 페로브스카이트 박막을 만드는 재료 중 하나인 요오드화메틸암모늄(CH3NH3I)를 기존 보다 더 과량 넣게 되면 결정간 경계인 결정립계 성질이 크게 개선된다. 이 박막을 이용하여 개발한  태양전지는 20% 이상의 세계 최고 수준 효율을 보여주었다.

본 연구가 과학계에서 주목 받는 이유는 재현성 있게 높은 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있는 원천기술을 개발했을 뿐 아니라, 고효율의 원인을 기초 연구 관점에서 분석하여 페로브스카이트 상용화를 앞당기기 위한 기초방법론을 제시했기 때문이다. 이 연구를 기반으로 결정립계 성질 개선에 대한 논의가 더욱 활발해질 것으로 기대된다.