3C/6H 이종결정다형체 일러스트.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 국제 공동연구를 통해 21.92%의 세계 최고 효율을 갖 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 김호범 교수팀과 스위스 로잔 연방공대(EPFL), 한국화학연구원(KRICT) 전남중 박사 공동연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 결함제어 기술을 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 낮은 제작 단가, 용이한 생산 공정, 유연화 가능 등의 장점이 있어 실리콘 태양전지를 이을 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다.

하지만 결정 결함은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 저해하는 요소로 알려져 있어 현재까지는 주로 외부 화학종 및 저차원 페로브스카이트를 도입하는 방법을 택해 왔다.

그러나 이종 분자 도입을 통한 결함제어 방식은 페로브스카이트의 소재 균일도와 결정성을 낮춘다는 한계가 있으며, 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 결함제어 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.

공동 연구팀은 통해 ‘꼭짓점 공유 성분을 포함하는 6H 페로브스카이트 결정다형체’를 활용한 페로브스카이트 결함제어 신기술을 개발, 이를 적용한 고효율 고안정성 페로브스카이트 태양전지 소자 및 모듈을 구현했다.

6H 결정다형체는 66%의 꼭짓점 공유 성분을 포함하기 때문에 광활성층용 3C 결정다형체와 높은 격자 상관성(lattice coherency)을 가진다. 따라서 6H 결정다형은 3C 결정다형의 효과적인 결함제어 요소로 사용 가능하며, 3C 결정다형과 완전히 동일한 화학 조성을 가지므로 페로브스카이트의 소재 균일도와 결정성을 유지할 수 있다.

GIST 김호범 교수, 스위스 로잔 연방공대 나지루딘 교수, 펄 다이슨 교수, 한국화학연구원 전남중 책임연구원·유소민 박사.[GIST 제공]

연구팀은 이종결정다형 페로브스카이트와 표면 패시베이션(보호막 씌우기)을 적용하여 21.92%의 모듈 효율(면적: 28.62cm2), 21.74%의 저온 공정 모듈 효율(면적: 24.5cm2)을 달성했다. 이는 비슷한 면적의 페로브스카이트 모듈 중 세계 최고 수준이며, 미국 태양전지효율 공인기관인 Newport 사로부터 공식 인증(인증효율: 21.44%)을 받았다.

호범 교수는 “이번 연구 성과는 기존 페로브스카이트 결함제어 기술과 달리 소재 균일도와 결정성을 유지하면서도 효과적인 페로브스카이트 결함제어가 가능하다”며 “향후 페로브스카이트 결함제어 연구의 새로운 장을 여는 한편, 페로브스카이트 발광다이오드, 광검출기 등 다양한 페로브스카이트 광전자소자로의 응용 또한 기대된다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 7월 4일 온라인 게재됐다.