건물벽·차량 선루프도 'OK'···태양전지 안정성·효율 함께 잡았다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 건물 외벽이나 차량 선루프에 태양전지를 붙여 전기에너지를 얻는 시대를 앞당길 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 석상일 에너지화학공학과 교수팀이 페로브스카이트 태양전지 광활성층의 미세 구조 변형을 최소화해 발전효율과 안정성을 모두 잡을 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

연구팀은 광활성층을 구성하는 입자(이온) 간 크기를 고르게 맞춰주는 새로운 방법으로 내부 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 발생하는 문제를 해결했다. 이 물질을 쓴 페로브스카이트 태양전지는 논문상 최고효율인 25.17%의 발전효율을 기록했다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 건물 외벽이나 주행하는 차량에 설치할 수 있다. 햇볕이 쫴지는 각도(입사각)에 영향을 덜 받고 가볍기 때문이다. 또 저온에서도 쉽게 제조할 수 있다.

실제 상용화를 이뤄내려면 안정성과 효율을 모두 갖춘 광활성층 소재를 개발해야 한다. 광활성층은 태양광을 받아 전하(전기) 입자를 만들고 이를 전극으로 보낸다. 이때 물질 내부 미세 구조에 결함이 많으면 전하 입자 전달 효율이 떨어진다. 결함으로 전하 입자가 사라지기 때문이다.

연구팀은 광활성층인 페로브스카이트 구성 이온의 종류와 비율을 바꿔 내부 결함을 줄이고 화학적 안정성을 높였다. 결함의 주요 원인을 이온 크기가 서로 맞지 않아 발생하는 구조적 변형이라고 보고 문제를 해결했다.

개발한 페로브스카이트 소재는 내부의 압력과 변형이 완화돼 구조적 안정성을 얻었다. 결함이 적어 전지가 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율도 높게 나타났다. 이를 접목한 페로브스카이트 태양전지 효율도 25.17%(공인 인증 효율 24.44%)를 기록했다.

석상일 교수는 “페로브스카이트 구조와 물질에 관한 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 광활성층 소재를 개발했다”며 “소재 원천 기술을 확보했다는 점에서 차세대 태양전지 시장에서 기술적 우위를 점하는 데 기여할 뜻깊은 연구”라고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 지난 2일자로 온라인 공개됐다.

광활성층의 구조와 페로브스카이트 태양전지 작동 원리.<사진=울산과학기술원>