[뉴스웍스=문병도 기자] 석상일 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 특훈 교수팀이 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율을 갖는 전지를 개발했다. 논문으로 공식 보고된 세계 최고 효율이다.

페로브스카이트는 1839년 독일 광물학자 로제가 러시아 우랄산맥에서 발견한 광물이다. 러시아의 유명한 광물학자 러프 페로브스키의 이름을 빌어 페로브스카이트라고 이름 붙였다.

페로브스카이트 구조를 지닌 물질은 자기저항, 초전도성, 전하 정렬, 스핀 의존 전하 수송 등의 특성을 갖는다.

이런 특성으로 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 박막 태양광전지와 동일한 박막제조기술에 적용할 수 있으며 비교적 높은 광변환 효율을 갖는다.

박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함은 내구성을 훼손할 뿐만 아니라 전자의 흐름도 방해, 효율도 떨어뜨린다. 구성 원소와 원자가 배열된 모양 자체가 다른 이종 소재가 맞닿는 지점에서는 배열이 찌그러져 원자가 빠지는 등의 결함이 쉽게 생긴다. 구성층 끼리 약한 물리적 결합으로만 연결되기 때문이다.

연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층간에 생성된 중간층 물질을 실험을 통해 입증했다.

이 물질은 전자전달층과 광활성층을 원자 수준에서 결함 없이 연결했다. 포항가속기연구소 X-선 빔라인 등을 실험에 활용했다.

중간층은 전자전달층의 주석 성분 덕분에 만들어졌다. 주석(Sn)은 2가 양이온(Sn2+)인 동시에 4가 양이온(Sn4+)이 될 수 있다. 전자전달층내 산소 이온뿐만 아니라 페로브스카이트의 염소 이온과도 결합할 수 있다.

연구팀은 바로 이 두 가지 원리에서 착안해 전자전달층과 페로브스카이트를 원자단위에서 결정구조학적으로 연결하는 중간층을 얻을 수 있었다.    

석상일 교수는 "페로브스카이트 광활성층과 전자전달층의 소재와 구조에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발할 수 있었다"고 설명했다.

한국연구재단 리더연구자지원사업, 국방과학기술연구소(ADD) 미래도전 국방기술사업 등의 지원으로 이뤄지고 신태주 UNIST 반도체소재·부품대학원 교수, 김민규 포항가속기연구소 박사, 민한울 UNIST 연구원, 이도윤 연구원 등이 참여한 이번 연구결과는'네이처'에 지난 20일자로 온라인으로 공개됐다.