▲ 박남규 성균관대 교수.

세계 최고 수준의 광안정성을 가진 고효율 페로브스카이트 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 최근 성균관대학교 박남규 연구팀이 포름아미디늄 양이온을 이용해 16% 고효율과 장기 광안정성을 가진 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 연구는 미래부에서 추진하는 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구결과는 재료분야 최고 전문지인 어드밴드스 머트리얼즈(Advanced Materials)紙 6월13일 온라인에 게제 됐다.

페로브스카이트 태양전지는 최근 높은 효율과 낮은 공정단가로 인해 각광을 받는 새로운 차세대 태양전지 기술이다. 기존의 페로브스카이트 태양전지로 사용된 물질은 메틸암모늄 양이온이다.

반면에 이 물질을 사용할 경우 800nm 이하의 파장을 가진 빛만 흡수해 태양전지로써의 기능을 향상하는데 제한이 있었다.

또한 태양전지로 작동하는 온도에서 상전이 현상(고체에서 액체로 변화는 것과 같이, 물질이 다른 상(相)태로 변화는 현상)과 빛의 장기 노출에 따른 광열화 현상(빛에 노출로 재료의 성능이 떨어지는 현상)으로 안정성에 있어서 풀어야 할 숙제가 있었다.

연구팀은 메틸암모늄 대신 고순도 포름아미디늄을 이용해 광안정성이 우수하면서도 16%의 고효율을 가진 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

이번 개발된 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지는 상전이 현상이 없고, 빛에 장기 노출에도 안정성이 우수하다.

또한 흡수할 수 있는 빛의 파장이 840nm로, 기존보다 40nm 더 확장돼 광전류 생성이 보다 더 유리하다.

특히 연구팀은 장기안정성이 있는 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발(Nature Scientific Report, 2012. 8월)해 발표한 이후, 포름아미디늄 이온을 이용한 태양전지 개발을 시도했지만 포름아미디늄의 순도가 낮아 그간 개발된 태양전지의 평균 효율이 10% 이하였다.

이에 연구팀은 포름아미디늄의 전구체(특정 물질이 되기 전단계의 물질)가 되는 고순도 포름아미디늄요오드 물질을 자체 개발해 고효율화에 성공했다.

연구팀은 “이번 개발된 포름아미디늄 양이온을 이용한 태양전지는 광안정성에서는 세계 최고 수준이며, 공정시 평균 효율도 15.5%로 재현성 또한 뛰어나며, 기존보다 빛을 흡수하는 영역이 더 확장돼 향후 태양전지 구조 및 공정기술을 최적화할 경우 25% 이상의 고효율이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

▲ 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지 효율.