세계 최고 효율의 반투명 태양전지를 만들었다

에너지기술연구원, 반투명 페로브스카이트 태양전지 개발
21.68% 효율240시간 작동시켜도 초기 효율 99% 유지
탠덤태양전지 만들면 31.5% 효율까지 끌어올릴 수 있어

한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 박사팀이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 세계 최고 효율인 21.68%를 기록했다. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 박사팀이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 세계 최고 효율인 21.68%를 기록했다. 또한 안정성까지 끌어올려 혹독한 조건에서 240시간 이상 작동시켜도 초기 효율대비 99% 이상의 효율을 유지했다. 이 반투명 페로브스카이트 태양전지는 건물 창문이나 두 종류의 태양전지를 하나로 묶어 만드는 탠덤 태양전지에 쓰일 수 있다.

21일 에너지기술연구원에 따르면, 연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지를 탠덤 태양전지의 윗쪽 태양전지로 사용해 후면의 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 만들었다.

주성엔지니어링㈜, 독일 율리히 연구소와 협력해 양면수광형 탠덤 태양전지를 2단자형과 4단자형으로 제작했다. 상하부셀이 일체형으로 제작돼 2개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 2단자형, 상하부셀이 독립적으로 작동해 총 4개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 4단자형이라고 한다.

테스트 결과 뒷면에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형이 31.5%, 2단자형이 26.4%의 높은 효율을 달성했다.

2050 탄소중립 달성을 위한 차세대 태양전지 기술의 핵심은 경쟁력에서 우위를 갖는 '초고효율화 달성'과 제한적 설치장소, 국토면적을 극복하기 위한 '적용처 확대'다. 이를 위해서는 탠덤 태양전지, 창호용 태양전지와 같은 고효율, 다기능성 기술이 필요하다.

한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 박사팀이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 에너지·재료분야 세계적 권위지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 2023년 12월 표지논문으로 선정됐다. 이 표지는 반투명 페로브스카이트 태양전지가 건물의 창호로 적용돼 실내전자 기기에 전원을 공급하는 모습이다. 에너지기술연구원 제공

우선 연구진은 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용해 반투명 페로브스카이트 태양전지를 만들때 발생하는 전하의 이동성과 안정성 저하 원인을 밝혀냈다. 안세진 박사는 "정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산되고, 결국 특성을 저하시키는 전자 구조로 변화된다"고 말했다.

이를통해 정공수송층의 산화시간을 최적화해 문제를 해결했다.

산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬산화물로 변환되면 리튬이온의 확산을 차단시켜 부품의 안정성을 높인 것이다. 연구진은 "그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 한 것"이라고 설명했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지를 에너지·재료분야 세계적 권위지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표했으며, 이 학술지에서는 표지논문으로 선정했다.

[e-mail] 김만기 기자