이종(異種) 소재를 무결점으로 연결하는 방법으로 박막 태양전지(종류가 다른 박막 소재가 샌드위치처럼 쌓여 있는 구조)의 전력 생산 효율과 안정성을 동시에 높이는 새로운 기술을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.

연구 결과는 과학 저널 '네이처'(Nature)지에 20일(현지 시각) 자로 온라인 공개됐다.

UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수 연구팀이 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 박막 태양전지의 일종인 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율의 전지를 개발했다고 밝혔다.

이는 논문으로 공식 보고된 세계 최고 효율이다.

미국 재생에너지연구소에서 인증받은 공인 기록도 25.5%로 가장 높다.

연구팀에 따르면 이 중간층은 박막 형태 이종 소재 구성층 사이에서 완충재 역할을 해 결함을 획기적으로 줄인다.

결함은 내구성뿐만 아니라 전자의 흐름을 방해해 효율을 떨어뜨린다.

특히 구성 원소와 원자가 배열된 모양 자체가 다른 이종 소재가 맞닿는 지점에서는 배열이 찌그러져 원자가 빠지는 등의 결함이 쉽게 생기는데, 이는 구성층끼리 약한 물리적 결합으로만 연결되기 때문이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층 간에 생성된 이 중간층 물질을 실험으로 입증했다.

중간층은 전자전달층의 주석 성분 덕분에 만들어졌는데, 주석은 2가 양이온인 동시에 4가 양이온이 될 수 있다.

또 전자전달층 내 산소 이온뿐만 아니라 페로브스카이트의 염소 이온과도 결합할 수 있다.

연구팀은 이 두 가지 원리에 착안해 전자전달층과 페로브스카이트를 원자 단위에서 결정구조학적으로 연결하는 중간층을 얻을 수 있었다.

석상일 교수는 "페로브스카이트 광활성층과 전자전달층의 소재와 구조에 대한 심도 있는 이해를 통해 효율과 안정성을 모두 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발할 수 있었다"며 "세계 최고의 인증 효율을 달성한 것은 물론 이를 체계적으로 분석하는 접근법은 후속 연구자들에게 큰 영감을 줄 수 있을 것"이라고 말했다.

석 교수는 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘기고, 세계 최고의 공인 효율도 스스로 다섯 차례나 경신했다.

페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 가볍고 유연하게 만들 수 있으며, 용액 공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다.

연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업, 국방과학기술연구소 미래도전 국방기술사업 등의 지원으로 이뤄졌다.