울산과학기술원(UNIST) 연구진이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 만드는 기술을 개발해 태양전지 제조에 활용, 세계 최고 효율을 달성했다.

연구 결과는 과학 저널 '네이처'(Nature)에 16일(현지시간) 공개됐다.

17일 UNIST에 따르면 에너지화학공학과 석상일 특훈교수팀은 페로브스카이트 광활성층 반도체의 결정성을 제어하는 새로운 방법과 원리를 발견했다.

연구팀은 이 원리를 페로브스카이트 태양전지 제조에 활용해 세계 최고 효율인 26.08%를 달성했다.

미국 재생에너지연구소에서도 세계 최고 효율인 25.73%로 공인했다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 결정성 반도체를 박막으로 코팅해 제조한다.

고효율화를 위해서는 페로브스카이트 박막의 결정 속 결함을 극도로 낮게 제어하는 것이 중요한데, 이러한 결함은 태양전지의 장기 안정성에 큰 영향을 미치기 때문이다.

연구팀은 페로브스카이트 박막을 결정화하는 단계에서 내부 결함을 더욱 줄이는 것이 필요하다고 보고 이번 연구를 통해 박막 결정화 단계를 제어할 수 있는 새로운 방법을 찾았다.

연구팀은 알킬암모늄 클로라이드를 페로브스카이트 구조 물질에 일정량 도입해 광학적으로 활성인 구조로의 결정상의 전이와 결정화 과정을 조정해 고효율 페로브스카이트 태양전지 제조를 가능하게 했다.

석상일 교수는 "페로브스카이트 구성 성분과 결합하면서 결정화가 이뤄지는 단계에 탈양자화가 일어나는 알킬암모늄 클로라이드를 사용했다"며 "이런 최적의 조합이 이번 연구 결과의 핵심"이라고 설명했다.

또 "알칼기와의 조합을 통해 페로브스카이트 전구체 용액의 코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발되는 속도도 최적으로 제어할 수 있었다"며 "이 조합을 통해 박막의 표면을 극도로 평탄하게 하면서도 치밀하고 결정의 내부 결함을 최소화한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다"고 덧붙였다.

석 교수는 "페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 효율을 조만간 능가할 수 있을 것"이라며 "이번 연구는 27% 이상의 효율을 달성하기 위한 여정의 출발점"이라고 말했다.

석 교수는 페로브스카이트 태양전지의 20% 효율을 처음 넘겼으며, 세계 최고 공인 효율 기록을 보유하고 있다.

특히 페로브스카이트 이종접합 n-i-p 태양전지 구조를 세계 최초로 발표했고, 지금도 25% 이상 고효율 페로브스카이트 태양전지는 모두 이 구조다.

페로브스카이트 태양전지는 얇고 가볍고 유연하며, 용액 공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다.

이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.