페로브스카이트 ‘속’ 바꿨더니… 태양전지 인증 효율 27.6% 달성

한중 공동연구팀 新첨가제 설계
싸고 강한 차세대 태양전지 눈앞
고온-습기 등 취약성 보완 숙제

차세대 태양전지 소재로 활용된 페로브스카이트. 서로 다른 두 양이온과 음이온이 1:1:3 비율로 결합한다.

한국과 중국 공동연구팀이 차세대 페로브스카이트 단일 태양전지 전력변환효율(PCE) 27.6%를 인증하며 세계 최고 수준에 도달했다. 주로 태양전지의 외부 보완을 통해 구조적 안정성과 효율을 개선하던 기존 연구와 달리 분자 설계 차원에서 효율을 개선한 전략으로 주목받는다.

박남규 성균관대 화학공학부 교수팀은 중국 화중과기대와 하얼빈기술연구소, 선전폴리테크닉대 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 태양전지 효율을 세계 최고 수준으로 높이는 데 성공하고 연구결과를 14일(현지 시간) 국제 학술지 ‘사이언스’에 공개했다.

상용 실리콘 단일 태양전지는 효율 29%가 이론적 한계치로 제시된다. 페로브스카이트는 빛 흡수율과 에너지 변환 효율이 높으면서도 제조비용이 상대적으로 낮아 디스플레이와 태양전지 분야에서 특히 주목받는다. 이론상 실리콘과 페로브스카이트를 층층이 쌓은 다중접합 형태로 태양전지 효율을 80%까지 구현할 수 있다.

최근 효율 27% 장벽을 돌파하며 실리콘 태양전지 효율을 바짝 추격한 페로브스카이트 태양전지의 주요 과제는 안정성 확보다. 페로브스카이트 결정은 고온과 습기에 취약해 작동을 반복하면서 내부 결정 구조가 무너지기 쉽다는 문제가 있다.

연구팀은 ‘3-PMPCl’이라는 첨가제를 결정 내부와 표면에 추가해 결정 자체가 더 안정된 상태를 유지하도록 개선했다. 실험 결과 연구팀은 세계 최고 수준인 전력변환효율 27.6%를 달성하는 데 성공했다. 다만 최고 효율 달성에 쓰인 전극 소재인 은(Ag), 금(Au)은 화학결합과 이온 침투 등으로 장기 안정성에 일부 취약하다.

연구팀은 비스무트(Bi) 전극을 대체 소재로 적용했다. 이를 통해 효율이 약 26.8%로 소폭 감소했지만 태양광 수준의 빛 조사 및 고온 환경에서 1011시간 동안 초기 효율의 93% 이상을 유지하는 높은 안정성을 확보했다.

이번 연구의 핵심은 외부 보완형 접근에서 벗어나 분자 설계를 통한 내재적 안정화 전략으로 연구 패러다임을 전환했다는 점이다. 제시된 접근법은 페로브스카이트뿐 아니라 다른 연성 반도체 소재에도 적용될 것으로 기대된다.

박 교수는 “아직 소면적 소자 기반 성과로 대면적 균일성, 모듈 제조 가능성, 확장성 등에 대한 추가 검증이 필요하다”고 설명했다. 박 교수는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 리더과제 지원을 바탕으로 연구실 류싼완 박사후연구원과 함께 연구 기획부터 광전자 특성 분석 등 핵심 실험 수행, 논문 작성까지 폭넓게 참여했다.

중국에서 차세대 태양전지 연구가 매우 빠르게 발전하고 있으며 이미 양산까지 준비하는 단계라는 진단도 나왔다. 박 교수는 “최근 중국은 단순한 효율 경쟁을 넘어 작동 안정성, 친환경 용매 공정, 머신러닝 기반 소재 설계 등으로 연구 범위를 확장하고 있다”며 “100개 이상의 기업에서 연구개발 단계를 넘어 양산을 준비하는 것으로 파악된다”고 밝혔다.