실리콘에 페로브스카이트 결합
이론상 한계치인 30% 넘겨
공정 간단해 제작 비용도 절감


과학자들이 현재 대중화된 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율 한계를 뛰어넘는 태양전지 기술을 개발했다. 기존 태양전지 재료인 실리콘과 차세대 태양전지 소재인 페로브스카이트를 접합한 태양전지 기술이다.

진신위 스위스 전자·마이크로기술센터(CSEM) 연구원은 6일(현지 시간) 국제학술지 ‘사이언스’에 실리콘과 페로브스카이트를 접합한 태양전지로 광전 변환 효율 한계치를 넘어선 연구 결과를 논문으로 발표했다.

광전 변환 효율이란 태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 정도를 의미한다. 효율이 높을수록 적은 비용으로 많은 양의 전기에너지를 생산할 수 있다. 이론상 실리콘 태양전지의 광전 변환 효율 한계치인 29%보다 높은 31.25%를 구현해 ‘마의 30%’를 넘겼다는 평가가 나온다.

태양전지는 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 장치다. 태양광은 친환경적이고 무제한 활용이 가능한 게 장점이다. 현재 상용화된 실리콘 태양전지는 제작 공정에 비용이 많이 드는 것 등이 단점으로 꼽혀 왔다. 산화광물의 일종으로 빛을 잘 흡수하는 소재인 페로브스카이트가 실리콘을 대체할 유력한 차세대 태양전지 소재로 주목받는다. 페로브스카이트 태양전지는 상대적으로 공정이 간단해 제작 비용도 적게 든다. 이 물질의 광 흡수 능력을 최적화해 광전 변환 효율을 높이는 게 과학계의 과제다.

페로브스카이트는 수분, 열 등에 취약해 이를 최적화하는 동시에 광전 변환 효율을 실리콘 태양전지 수준으로 높이는 기술력이 필요하다. 실리콘과 페로브스카이트를 결합해 각 소재의 단점을 상쇄하는 ‘탠덤 태양전지’ 연구도 활발히 이뤄지고 있다.

CSEM 연구진은 실리콘으로 이뤄진 전지에 페로브스카이트를 균일하게 코팅하는 ‘탠덤 태양전지’를 고안했다. 이렇게 만든 소재를 처리하는 공정에서 첨가제를 더해 페로브스카이트의 코팅 결정을 조절하고 광전 변환 효율에 영향을 주는 전자수송층에 손실이 발생하지 않도록 처리하는 방법을 개발했다.

연구진이 개발한 기술을 활용해 만든 활성면적 1.17㎡ 탠덤 태양전지의 광전 변환 효율을 측정한 결과 31.25%를 기록했다. 페로브스카이트는 가시광선을, 실리콘은 적외선을 활용해 광전 변환 효율의 이론적 한계를 넘어선 것이다.

연구진은 “차세대 고효율 탠덤 태양전지를 상용화할 수 있는 발판을 마련한 것”이라며 “후속 연구를 통해 광전 변환 효율을 높이는 동시에 대량생산 공정 연구도 진행할 것”이라고 말했다.


문세영 동아사이언스 기자 moon09@donga.com