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태양전지부터 LED, 연료전지까지… 다방면으로 진화하는 페로브스카이트 물질

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2017년 11월 12일 19:00 프린트하기

표지로 읽는 과학 - 사이언스

 

사이언스 제공
사이언스 제공

이번 주 ‘사이언스’ 표지는 태양 빛의 에너지를 전기에너지로 변환해 주는 고효율 플렉서블 페로브스카이트 태양전지가 장식했다. 현재 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지의 성능을 뛰어 넘어 상용화 직전 단계까지 이르렀다는 평가를 받는다.
 
페로브스카이트 물질은 AMX3(A는 양이온, M은 금속 양이온, X는 음이온)형 큐빅 구조를 갖는 물질로, 1839년에 발견됐지만 태양전지에 활용된 것은 10년 밖에 되지 않았다. 10일자 사이언스는 태양전지를 비롯한 X선 의료영상 장비, 고효율 LED 광원, 고온 연료전지 촉매, 오염 정화 등 다양한 산업 분야에서 활발히 활용되고 있는 페로브스카이트 물질을 4편의 리뷰논문을 통해 특집으로 다뤘다.
 
이 허우 독일 에를랑겐 응용광학기술대학원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지의 핵심적 진보에 관해 소개했다. 페로브스카이트 물질은 올해 9월 클래리베이트 애널리틱스(前 톰슨로이터 지적재산과학사업부)가 예측한 노벨상 수상 유력 분야로도 꼽혔다. 당시 미야사카 스토무 일본 토인요코하마대 교수, 헨리 스네이스 영국 옥스포드대 교수와 함께 유력한 노벨화학상 공동수상 후보로 선정된 박남규 성균관대 화학공학·고분자공학부 교수는 2007년 등장과 동시에 사장되다시피 했던 페로브스카이트 태양전지를 꾸준히 연구해 태양전지의 판도를 뒤집어놨다는 평가를 받는다.
 
장파블로 코레아배나 미국 매사추세츠공대(MIT) 박사팀은 최근 5년 동안 폭발적으로 늘어난 연구로 페로브스카이트 태양전지의 전력 전환 효율이 한 자리 수에서 실용화 임계치인 20%를 단숨에 넘어섰다고 밝혔다. 박 교수는 지난해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20.4%까지 올렸다. 세계 최고 효율도 국내 연구진이 기록했다. 석상일 울산과학기술원(UNIST) 특훈교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 22.1%까지 높여 올해 6월 ‘사이언스’에 발표했다.
 
다만 널리 상용화된 페로브스카이트 물질에 남은 과제는 전하의 수송을 용이하게 하는 정공수송재료(HTM)를 개발하는 일이다. 허우 교수팀은 산화텅스텐(Ta-WOx)과 폴리티오펜유도체로 HTM 도핑 물질을 개발했다. 연구진이 21.2%의 전력 변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 이용해 이 HTM을 시험한 결과, 기존 대비 전지의 안정성이 높아져 1000시간을 작동한 이후에도 성능의 95%가 유지된다는 사실을 밝혔다. 코레아배나 박사도 “전지가 수분이나 고온에 노출될 경우의 효율이나 안정성을 적절히 평가하기 위한 시험 절차를 마련해야 한다”고 강조했다.

 

한편 히로세 케이 일본 신묘대 박사팀은 지구 표면 아래 2890㎞ 깊이의 하부 맨틀 깊숙한 곳에 마그네슘 페로브스카이트 물질이 풍부하다는 사실에 주목했다. 이는 지구나 화성보다 큰 다른 암석형 행성에서도 마찬가지다. 히로세 박사는 “페로브스카이트 물질이 맨틀의 냉각이나 광물의 흐름에 큰 영향을 미칠 수 있다”며 “판 구조나 생태계를 유지하는 데도 중요한 역할을 할 것”이라고 주장했다.

 

이 밖에도 막심 코발렌코 스위스 취리히공대 박사팀은 최근 각광을 받고 있는 할로겐화 페로브스카이트 물질(LHP)의 광학적 특성과 전도성, 결함 방지 특성을 집중 조명했다. LHP는 다른 무기 나노입자보다 자연에 가까운 색상을 구현할 수 있어 TV 디스플레이에 활용 가치가 높다고 평가했다. 조나단 황 MIT 박사팀은 고체 산화물 연료전지에 페로브스카이트 물질을 활용할 수 있는 방안을 소개했다.

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