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1000시간 사용해도 끄덕 없는 튼튼한 태양전지 개발

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1000시간 사용해도 끄덕 없는 튼튼한 태양전지 개발

2017.03.31 07:00
페로브스카이트 태양전지의 모습. (이해를 돕기 위해 사용된 이미지로 이번 연구결과와는 관련 없습니다.) - 위키미디어 제공
페로브스카이트 태양전지의 모습. (이해를 돕기 위해 사용된 이미지로 이번 연구결과와는 관련 없습니다.) - 위키미디어 제공

※ 네 줄 요약
1. 국내 연구진이 내구성이 좋은 페로브스카이트 소재 태양전지를 개발했다.
2. 태양전지용 전극을 1000시간 동안 태양광에 노출시켰을 때 기존 전극은 효율이 50% 이상 급격히 떨어지지만 새로 개발된 전극은 효율이 6.7% 밖에 떨어지지 않는다.
3. 여기에 연구진이 자체 개발한 제조법을 적용해 만든 페로브스카이트 태양전지는 효율이 21.2%로 비슷한 형태의 태양전지 중 가장 높다.
4. 태양전지 제조 비용을 현재 시장 주류인 실리콘 태양전지의 절반 수준으로 낮출 수 있다.

 

1000시간 넘게 가동해도 끄덕 없는 튼튼한 태양전지를 국내 연구진이 개발했다. 이로써 차세대 태양전지 소재로 각광받는 페로브스카이트가 저렴한 가격, 높은 효율에 이어 내구성까지 갖추게 됐다.

 

석상일 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수를 중심으로 한국화학연구원, 고려대 등으로 구성된 미래창조과학부 ‘멀티스케일에너지시스템연구단’은 페로브스카이트 태양전지용 소재 및 제조기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 안정성을 가진 전지를 개발했다고 30일 밝혔다.

 

☞ 페로브스카이트 (perovskite)란? 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 회티타늄석이라고도 하며 사면체나 팔면체, 입방체의 결정이 있다.

 

화학소재를 결합해 만드는 페로브스카이트 태양전지는 소재가 저렴하고 합성이 쉬워 가격 측면에서 강점이 있다. 현재 태양전지 시장의 90%를 차지하는 실리콘 태양전지(25%)에도 뒤지지 않는 22%의 광전변환효율을 기록하기도 했다. 100만큼의 태양광을 받았을 때 22만큼의 에너지를 내놓는다는 의미다.

 

하지만 오래 사용했을 때 효율이 급격히 떨어진다는 문제가 있었다. 연구진은 빛에 오래 동안 노출돼도 성능이 떨어지지 않는 광(光)전극 소재를 개발해 이 문제를 해결했다.

 

연구진은 바륨주석산화물(BaSnO₃)의 바륨(Ba)원자 일부를 란탄(La)원자로 바꾼 ‘LBSO’를 전극으로 활용했다. LBSO는 안정성이 높다고 알려져 있었지만, 수백 나노미터(nm·1nm는 10억 분의 1m) 두께의 균일한 박막으로 제조하긴 어려워 전극으로 쓰이지 않았던 소재다.

 

이를 해결하기 위해 완벽한 LBSO 결정을 이루기 전 단계의 물질을 미세한 나노 입자 형태로 만들어 전극에 씌웠다. 이 제조법은 900도의 고온에서 진행되던 기존 전극 제조 공정을 200도의 저온에서 진행할 수 있다는 장점이 있다.

 

연구진은 나노 입자의 형태로 만든 LBSO를 코팅해 전극을 제조했다(위). 이 전극은 1000시간 동안 태양빛에 노출돼도 효율 저하가 거의 없다(아래). - (주)동아사이언스 제공
연구진은 나노 입자의 형태로 만든 LBSO를 코팅해 전극을 제조했다(위). 이 전극은 1000시간 동안 태양빛에 노출돼도 효율 저하가 거의 없다(아래). - (주)동아사이언스 제공

새 광전극은 장시간 사용해도 안정적이다. 기존 전극은 연속으로 1000시간 동안 자외선을 포함한 태양광에 노출되면 효율이 절반 가까이 떨어지지만, 연구진이 개발한 전극은 효율이 단지 6.7% 감소했다.

 

연구진은 개발된 광전극을 재료로 새로 개발한 ‘핫-프레싱(hot-pressing)’ 공법을 적용해 태양전지를 제조했다. 핫-프레싱은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다. 개발된 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율은 21.2%로 유사한 태양전지의 최고 효율인 20%를 넘어선 우수한 성능을 보였다.

 

석 교수는 “높은 효율, 안정성 그리고 저렴한 가격이라는 세 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 태양전지 제조법을 개발한 것”이라며 “제작 비용이 기존 실리콘 태양전지의 절반 이하로 낮아질 것”이라고 말했다.

 

이 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스’ 31일자에 실렸다.

 

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