에너지연, 세계 최고 효율 차세대 태양전지 개발

반투명 페로브스카이트로 21.68% 달성…유리창 등에 활용 기대

국내 연구진이 반투명 페로브스카이트 태양전지로 세계 최고 효율을 달성했다.

한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 태양광연구단(연구책임자 안세진 박사)은 건물 창문이나 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 크게 개선하는데 성공했다고 21일 밝혔다.

이 태양전지 효율은 세계 최고 수준인 21.68%를 기록했다. 240시간 이상의 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지 한다는 것이 연구진의 설명이다.

탠덤 태양전지는 실리콘 태양전지에 산화광물의 일종인 페로브스카이트를 결합한 복합전지다. 수분이나 열에 강한 장점이 있다.

아래 왼쪽부터 시계방향으로 안세진, 안승규 책임연구원과 임강훈 선임연구원. 원 안은 나크비 시드 딜다 하이더 박사후연구원이다.

안세진 박사는 “한화큐셀이 탠덤 전지를 오는 2026년까지 상용화할 계획으로 알고 있다”며 “지금은 축구의 전반전에 해당하지만, 우리도 그 때까지는 어느 정도 기술 개발이 마무리될 것으로 예상한다”고 말했다.

연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작에서 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하의 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다.

연구진은 태양전지에 빛을 비출 때 고에너지 입자가 발생해 전하의 일종인 정공의 수송층 효율을 떨어뜨리는 문제를 해결하고, 원리도 규명했다.

특히, 전기 전도도 향상을 위해 전지에 첨가하는 리튬이온이 리튬산화물(LixOy)로 변환되면서 되레 이 산화물이 리튬이온 확산을 차단시켜 소자 안정성을 높이는 것을 확인했다.

연구진은 이를 통해 투명전극을 사용하는 페로브스카이트 태양전지 중 세계 최고 효율인 21.68%를 달성했다. 또 400시간의 장기 보관 조건과 240시간 이상의 작동 환경에서도 모두 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지하는 것도 확인했다.

또 이 기술을 이용해 후면의 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했다. 이 전지 제작에는 주성엔지니어링과 독일 율리히 연구소도 일부 지원했다.

안세진 박사는 “양면수광형 전지에서는 전지 후면에서 들어오는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형 31.5%, 2단자형 26.4%의 높은 기대효율을 달성했다”고 설명했다.

안 박사는 이어 “이번에 개발된 전지의 활용성이 크게 확대될 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이 연구결과는 에너지·재료분야 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials / IF 27.8) 표지논문(Outside Front Cover)으로 게재됐다.