국내 연구팀이 태양전지 구동에 필요한 핵심 부분 가운데 하나인 정공수송층으로 이용되던 유기물질을 지구상에 풍부한 무기물질인 황철석 나노 입자로 대체해 친환경적인 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

태양광 발전을 하려면 당연히 태양에서 온 에너지를 전기로 변환하는 발전을 위한 태양전지 개발이 필요하다. 하지만 이제까지 태양전지는 가격이나 내구성 문제 탓에 상용화가 늦어지고 있다. 이번 연구 결과는 이런 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시했다고 할 수 있다.





페로브스카이트 태양전지를 개발한 곳은 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터 고민재 박사 연구팀이다. 현재 시중에 나온 태양전지는 실리콘을 이용한 것이다. 연구팀이 개발한 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트를 이용한다. 어떤 차이가 있을까.

최근 발표된 연구 결과에 따르면 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 연구 시작 4년 만에 광전변환 효율 22.1%를 달성했다고 한다. 여전히 남은 문제는 태양전지를 만들 때 쓰이는 전공수송체 가격, 또 수분에 취약하다는 것이다. 이번에 개발한 건 정공수송층으로 쓰이던 spiro-OMeTAD라는 유기 물질을 무기 물질인 황철석으로 대체한 것.





태양전지는 빛을 흡수해 광전자층 전하와 전공을 분리시킨다. 이 때 발생한 전공을 전극 쪽으로 이동시키기 위한 게 전공수송층이다. 광전자층으로 이용하는 페로브스카이트는 상대적으로 보면 저렴하다. 하지만 전공수송체로 쓰이는 유기물질은 합성이나 정제가 어려워 백금이나 금 같은 귀금속보다 10배 이상 가격이 비쌌던 것.

물론 과거에도 이런 값비싼 정공수송체를 저렴한 무기 물질로 대체하려는 연구가 이뤄졌다. 하지만 페로브스카이트와 무기 정공수송체 사이에 계면 화학 반응이 일어나는 탓에 전지가 손상되어 오랫동안 작동시킬 수 없는 문제가 있었다.

그 뿐 아니다. 페로브스카이트는 물에 취약하다. 대기 중 수분에도 손쉽게 손상된다. 성능을 꾸준히 유지하기 어려웠던 것. 연구팀이 적용한 황철석은 지구상에 풍부한 만큼 일단 저렴하다. 또 표면 성질도 페로브스카이트와 화학적 반응을 일으키기 않아서 화학적 안정성과 소수성을 확보하고 있다. 2가지 문제를 동시에 해결한 것이다.





연구팀이 개발한 황석철 나노 입자에는 방수제 원료로 쓰이는 옥타데실아민이라는 물질로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액 공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층을 제작할 수 있다고 한다. 이 과정을 거치면 기존 물질보다 뛰어난 전기 전도도를 나타내는 것도 장점. 연구팀에 따르면 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 14.2%에 이르는 높은 전력 변환 효율을 기록했다고 한다. 그 뿐 아니라 1,000시간 뒤에도 화학 반응이나 수분으로부터 안전하게 구동되는 것도 실험을 통해 입증했다고 한다(아래 동영상. 황철석 나노 입자와 기존 방식의 수분 반응 비교).

https://youtu.be/JZHflQKkR88

https://youtu.be/LkRNZvXNTUo

연구팀은 이번 개발이 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지 안정성 향상에 높은 기여를 할 것이라면서 동시에 차세대 태양전지 상업화를 앞당길 수 있고 광흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기 전극 등에도 활용될 것으로 기대한다고 밝히고 있다. 이번 연구 결과는 재료 분야 전문 학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 표지 논문으로 게재됐다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.

이장혁 IT칼럼니스트  hymagic@naver.com

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