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韓연구진, 페로브스카이트 태양전지 효율 세계 최고 경신

안명박 | 2021·04·06 00:22 | HIT : 297 | VOTE : 86 |

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태양광을 전기로 바꾸는 효율 25.6% 디스플레이 등 차세대 광전소자 개발 도움 기대 연구결과, 국제 과학 학술지 네이처에 게재

[서울=뉴시스] 개발된 페로브스카이트 물질의 구조 및 특성. (참고 자료=UNIST 제공)[서울=뉴시스] 오동현 기자 = UNIST와 한국에너지기술연구원 연구진이 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 세계 최고 효율을 경신했다. 페로브스카이트 태양전지는 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 것으로 기대되는 차세대 전지다. 연구 결과는 최고 권위 국제 과학 학술지인 Nature지 5일 자에 게재됐다. UNIST 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀은 스위스 로잔공대(EPFL) 연구진과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 25.6%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고다. 연구진은 전지 핵심 소재인 페로브스카이트 소재의 구성 원소 조합을 새로운 접근 방식으로 바꿔 효율을 끌어올렸다. 이번 연구는 페로브스카이트 소재 기반 차세대 디스플레이와 같은 광전소자(빛에너지를 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꿀 수 있는 기기) 개발에도 도움이 될 전망이다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질이다. 합성이 쉽고 저렴하다. 페로브스카이트 태양전지가 태양광 발전 원가를 낮출 것으로 기대되는 이유다. 하지만 아직 이 물질을 쓴 태양전지 효율은 상용(실리콘) 태양전지에 못 미치고 내구성도 떨어진다. 이를 개선하기 위해 양이온의 조합 등을 바꿔 효율과 물질의 안정성을 개선하려는 연구가 활발했다. 공동 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부(용액함량 2%)를 포메이트(HCOO-)란 물질로 교체하는 방식으로 전지 효율과 내구성을 향상시켰다. 포메이트는 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체구조가 단단히 성장하는 것을 돕는다. 포메이트가 금속 양이온과 상호작용해 결합력을 강화하기 때문이다. 입체구조가 규칙적으로 잘 자란 소재(결정성이 우수한 소재)를 쓰면 전지 효율이 높다. 실제로 포메이트를 첨가하지 않은 페로브스카이트 전지 대비 효율이 10% 이상 향상됐다. UNIST 김진영(에너지화학공학과) 교수는 “아이오딘(I-)이나 브롬(Br-) 이온만을 음이온 자리에 쓸 수 있다는 고정관념을 깼다”며 “포메이트의 크기가 기존 음이온과 비슷하다는 데서 착안했다”고 설명했다. 한국에너지기술연구원 김동석(울산차세대전지연구개발센터장) 박사팀은 전지 제작을 담당했다. 김동석 박사팀은 2013년부터 김진영 교수팀과 공동연구를 진행해 오고 있다. 김동석 박사는 “개발된 물질로 효율을 극대화할 수 있는 구조의 태양전지 셀(cell)을 설계하고 제작해 25.2%의 높은 공인 기록(미국 Newport사 공식인증)도 확보했다”며 “동일한 품질의 전지를 만드는 것이 가능해 상용화에 유리할 것”이라고 기대했다. 한편, 페로브스카이트는 합성이 쉽고 가격이 저렴해 디스플레이(발광소자), 센서 등의 분야에서도 연구되는 물질이다. 제1저자인 정재기 UNIST 박사(현 로잔공대)는 “포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용 할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 학문적 의미도 크다”며 “이번 연구로 페로브스카이트 물질 연구의 방향성을 새롭게 제시했다”고 설명했다． ☞공감언론 뉴시스 odong85@newsis.com ▶ 네이버에서 뉴시스 구독하기 ▶ K-Artprice, 유명 미술작품 가격 공개 ▶ 뉴시스 빅데이터 MSI 주가시세표 바로가기 <ⓒ 공감언론 뉴시스통신사. 무단전재-재배포 금지>

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UNIST·에너지연 공동연구팀 기존보다 0.4% 높인 25.6% 차세대 소재 활용에 한발짝

김진영 UNIST 교수 연구팀이 포메이트 음이온 물질을 페로브스카이트에 넣어 효율을 세계 최고 수준인 25.6%까지 끌어 올리는 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다. UNIST 연구자가 페로브스카이트 태양전지를 들어보이고 있다. UNIST 제공 국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 '페로브스카이트 태양전지'의 광활성층에 새로운 물질을 넣어 세계 최고 수준의 효율을 기록했다. 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 보여 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화에 한 발짝 다가서는 한편, 페로브스카이트 소재 기반의 차세대 디스플레이 개발 등에 기여할 것으로 예상된다. 울산과학기술원(UNIST)은 김진영 교수 연구팀이 김동석 한국에너지기술연구원 박사 연구팀, 스위스 로잔공대 연구팀 등과 함께 태양광을 전기로 바꾸는 효율을 25.6%로 향상시킨 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다고 6일 밝혔다. 논문으로 정식 보고된 페로브스카이트 태양전지 효율 중 최고 수준이다. 이전까지 가장 높은 효율은 25.2%였다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 제조가 간편하고 저렴해 태양광 발전 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 차세대 전지다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조를 갖는 물질로, 태양전지의 광활성층에 쓰인다. 하지만, 아직 상용 태양전지에 비해 효율이 낮고, 내구성이 떨어지는 한계가 있어 이를 개선하기 위해 양이온 조합 등을 바꿔 효율과 물질 안정성을 높이는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 연구팀은 페로브스카이트를 이루는 음이온 일부를 '포메이트' 물질로 교체하는 방식으로 효율과 내구성을 높였다. 포메이트는 금속 양이온과 상호 작용해 결합력을 강화시켜 페로브스카이트 소재 내부의 규칙적인 입체 구조가 단단히 성장하도록 돕는다는 사실을 연구팀은 밝혀냈다. 실제로, 포메이트를 첨가한 페로브스카이트 태양전지는 첨가하지 않은 전지에 비해 효율이 10% 이상 향상됐다. 또한 포메이트는 페로브스카이트 박막의 입자 크기를 키우고, 수직성장을 도와 결정성을 높이는 데 역할을 한다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 미국 공인인증기관(Newport사)로부터 25.2%의 전력변환 효율 인증을 받았다. 김진영 UNIST 교수는 "포메이트가 페로브스카이트 결정 내 음이온 자리에서 주위 원소들과 상호작용할 수 있다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다는 점에서 의미가 크다"며 "차세대 태양전지 소재로 활용돼 디스플레이 발광소자나 센서 등에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처(지난 5일자)'에 실렸다.

포메이트를 페로브스카이트에 넣은 새로운 페로브스카이트 물질 내부구조 및 페로브스카이트 태양전지 구조 개념도로, 물질 내 전하 입자를 유지하고 수직성장을 통해 효율을 높이는 데 기여한다. UNIST 제공 이준기기자 bongchu@dt.co.kr ▶[ 네이버 메인에서 디지털타임스 구독 ] / ▶[ 뉴스스탠드 구독 ] ▶디지털타임스 홈페이지 바로가기

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