국제 공동연구진이 납-주석 페로브스카이트(perovskite) 태양전지의 효율을 20% 이상으로 끌어올리는 데 성공했다. 20%는 흔히 태양전지 연구자들에게 넘어야 할 '마(魔)의 효율'로 불린다.

김동회 세종대 나노신소재공학과 교수는 미국 국립신재생에너지연구소(NREL), 톨레도대 등과 함께 이런 연구 성과를 19일 국제학술지 '사이언스'(Science)에 발표했다.

페로브스카이트 태양전지는 효율이 높으면서도 제조비용은 저렴해 '차세대 태양전지'로 주목받고 있다. 이중 납-주석을 이용한 전지는 이론적으로는 효율이 높다고 알려졌지만 전하 수송 특성이 상대적으로 낮아 현재까지 구현한 전지의 최고 효율은 18% 정도였다.

연구진은 이번 연구에서 'GuaSCN'(구아니디니움 쏘시아나이트)라는 화학물질을 처리해 전지 소재를 안정화하고 전하 이동 특성을 높였다. 그 결과 전하 수명은 140나노초에서 1마이크로초 이상으로 늘었고, 전지의 효율은 20.4%를 기록했다.

연구진은 또 납-주석 페로브스카이트 전지와 납 페로브스카이트 전지를 쌓은 '탠덤(Tandem) 전지'를 구현해 효율을 더욱 높이는 데 성공했다. 태양 빛 중 비교적 파장이 짧은 빛은 납 전지에 흡수되고 파장이 긴 빛은 납-주석 전지에 흡수된다. 이런 탠덤 전지의 효율은 최고 25%를 기록했다.

또 이 태양전지는 100시간 연속으로 작동한 후에도 효율이 초기의 88% 이상을 유지할 정도로 우수한 안정성을 지닌 것으로 확인됐다.

김 교수는 "납-주석 소재를 이용해 세계 최초로 20%를 넘는 효율을 달성했다. 또 적층구조로 세계 최고 수준의 페로브스카이트 탠덤 태양전지의 효율을 얻었다"며 "적층형 태양전지의 도전 목표인 30%를 돌파하는 데 더 큰 가능성을 기대할 수 있게 됐다"고 밝혔다.