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세계최고 효율 '하이브리드 태양전지' 개발

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저렴한 소재로 비용 3분의1로 절감… 상용화시 시장 주도 기대감 석상일 화학연 박사팀 쾌거
기존 실리콘 태양전지에 필적하는 높은 효율의 차세대 하이브리드 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 저렴한 화학소재를 사용, 기존 태양전지의 3분의 1 비용으로 만들 수 있는 데다 유기고분자·염료감응 등 지금까지 개발된 차세대 태양전지 중 햇빛을 전기로 바꾸는 효율이 가장 우수해 상용화 시 차세대 태양전지 시장을 주도할 수 있을 것으로 기대된다.

석상일 한국화학연구원 박사팀은 독특한 구조의 화합물인 페로브스카이트를 이용, 햇빛에너지의 17.9%를 전기로 바꿔주는 고효율 하이브리드 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 10일 발표했다.

현재 상용화된 실리콘 태양전지는 효율이 20% 가량으로 높지만 제조공정이 복잡하고 어렵다 보니 가격이 높아 화석연료를 대체하기에 무리가 있다. 이를 대체하기 위해 개발되고 있는 유기태양전지나 염료감응 태양전지는 효율이 각각 최고 13%, 12% 선으로 낮아 상용화에 어려움이 있다. 그 대안으로 높은 효율과 낮은 단가의 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 연구가 2~3년 전부터 이뤄져 왔다. 페로브스카이트는 자연에 있는 물질을 모방해 만든 인공화합물로, 햇빛을 받으면 전자가 잘 튀어나오는 성질이 있어서 태양전지 물질로 적합하다. 왜 그런 특성이 있는지는 아직 밝혀지지 않았다. 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 핵심은 매우 치밀한 박막을 제조하는 것인데, 하이브리드 페로브스카이트는 물질 자체의 특성 때문에 균일한 박막을 제조하기 어려웠다.

연구팀은 값싼 무·유기물 기판을 회전시키면서 페로브스카이트 용액을 떨어뜨려 코팅막을 만들고, 다시 그 위에 톨루엔을 떨어뜨려 균일한 막 형태로 만든 후 100도의 고온을 가해 균일하고 치밀한 페로브스카이트 박막을 완성했다. 이 연구결과는 태양전지의 효율을 공식적으로 공인하는 미국 재생에너지연구소(NREL)의 페로브스카이트 태양에너지 효율 기록지에 세계 최고 효율로 연속 등재(2013년 최고 효율 16.2%)됐다.

석 박사는 "그동안 효율 향상에 어려움이 있던 차세대 태양전지의 효율을 획기적으로 향상시키고 기존 태양전지에 비해 3분의 1 이하 가격으로 제조가 가능해 고효율과 저가라는 두 가지 화두를 모두 만족시킨다"며 "2~3년 내에 기존 실리콘 태양전지 효율을 따라잡고, 실용화 시 화석연료와 가격 경쟁이 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

이 연구결과는 '네이처 머티리얼스(Nature Materials)' 6일자 온라인판에 게재됐다.

백나영기자 100na@




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