"공기 중에서도 31% 넘겼다"…UNIST, '꿈의 태양전지' 양산 문턱 낮췄다[과학을읽다]

대기 제작 페로브스카이트·실리콘 탠덤전지 세계 최고 효율 달성
수분 취약성 잡은 3성분 계면 코팅 기술 개발…네이처 포토닉스 게재

차세대 태양광 시장의 '게임체인저'로 꼽히는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 대량생산 문턱을 낮출 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 수분과 산소를 차단한 특수 생산시설이 아닌 일반 대기 환경에서도 세계 최고 수준의 효율을 구현하면서 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST)은 석상일 특훈교수와 최경진 교수 연구팀이 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학(KAUST) 연구진과 공동으로 고효율 탠덤 태양전지용 3성분 계면 코팅 물질을 개발했다고 11일 밝혔다.

TSN 계면층을 적용한 페로브스카이트 박막은 기존 SAM 대비 광발광 세기가 훨씬 균일하게 나타났다. 이는 박막이 고르게 형성되고 전하 손실을 유발하는 결함이 줄어들었음을 의미하며, 고효율·고품질 태양전지 제작에 유리함을 보여준다. 연구팀 제공

연구 결과는 광학·광자공학 분야 세계적 학술지인 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재됐다.

페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 두 종류의 태양전지를 위아래로 적층해 태양빛을 보다 효율적으로 활용하는 차세대 태양전지다. 위쪽 페로브스카이트 전지가 짧은 파장의 빛을 흡수하고, 아래쪽 실리콘 전지가 남은 빛을 흡수해 기존 실리콘 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘을 수 있다. 이 때문에 세계 주요국이 '꿈의 태양전지' 주도권 확보 경쟁을 벌이고 있다.

하지만 페로브스카이트는 수분과 산소에 취약해 고효율 전지를 만들기 위해서는 특수 환경에서 생산해야 한다는 한계가 있었다. 이는 대면적 생산 비용을 높이고 상용화를 가로막는 요인으로 지적돼 왔다.

특수 설비 없이도 31% 돌파…상용화 최대 난제 넘었다

연구팀은 기존 계면 물질(Me-4PACz)에 GDMA와 AG를 추가한 3성분 코팅 물질을 개발해 이 문제를 해결했다. GDMA는 코팅층이 전극 표면에 균일하게 형성되도록 돕고, AG는 계면 결함을 줄여 전하 이동 효율을 높이는 역할을 한다.

이를 적용한 탠덤 태양전지는 일반 대기 환경에서 제작했음에도 31.72%의 광전변환효율을 기록했다. 이는 대기 중 제작된 페로브스카이트·실리콘 탠덤 전지 가운데 세계 최고 수준이다. 공인 인증 효율도 31.36%로 확인됐다.

내구성도 크게 향상됐다. 별도의 보호 포장 없이 85도 환경에 600시간 노출한 뒤에도 초기 성능의 92% 이상을 유지했으며, 태양광을 모사한 강한 빛을 1000시간 연속 조사한 뒤에도 90% 이상의 효율을 유지했다.

연구팀 사진. (좌측부터) 석상일 교수, 최경진 교수, 김귀수 박사, 노영임 연구원. UNIST 제공

연구팀은 이번 기술이 대면적 생산에도 유리하다는 점을 확인했다. 7×7㎠ 크기의 대면적 기판에서도 균일한 페로브스카이트 박막 형성이 가능했고 불량률도 낮아졌다.

최경진 UNIST 교수는 "정부의 K-문샷 프로젝트가 추진하는 초격차 초고효율 다중접합 태양전지 개발 목표와 맞닿아 있는 연구"라며 "차세대 태양광 기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

석상일 UNIST 특훈교수는 "고효율 탠덤 태양전지 상용화를 위해서는 성능뿐 아니라 실제 공정에서의 재현성과 생산 비용 문제도 해결해야 한다"며 "이번 연구는 일반 대기 환경에서도 균일한 계면 박막과 높은 재현성을 확보할 수 있음을 보여준 성과"라고 설명했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr