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중국과학원, 26.1% 효율 페로브스카이트 태양전지 공개… ‘필름 균질화’ 구현
인버티드 구조 단점 보완, 상용화 시점 앞당겨

[인더스트리뉴스 최용구 기자] 중국과학원(China Academy of Sciences) 등 연구팀이 최대 26.1%의 효율을 내는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 연구팀에 따르면 2,500시간 작동 후에도 초기 효율의 92%를 유지했다.

중국과학원(이하 과학원)은 허페이 물리과학원(Hefei Institute of Physical Sciences) 소속 학자들이 수행한 ‘페로브스카이트 필름 균질화’ 주제의 연구결과가 지난 11월 2일 네이처(Nature)에 게재됐다고 밝혔다.

상 분리 과정. 대조 샘플 및 PSP 샘플 적용에 따른 변화를 나타냄 [자료=중국과학원]

연구팀은 페로브스카이트 필름 내에서 발생하는 ‘상 분리(phase segregation)’ 문제의 해결 방안을 실험을 통해 규명했다. 상 분포의 균질화를 위해 PSP(1-(Phenylsulfonyl)pyrrole)를 첨가제로 투입한 결과 26.1%의 광전변환효율(PCE)을 얻었다. 

상 분리에 따라 페로브스카이트 내부의 배열이 흐트러질 경우 △전력변환 효율 △열 안전성 등에 악영향을 미친다.

페로브스카이트는 태양전지에 사용되는 재료 중 하나로 차세대 소재로써 주목받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 노멀(normal) 구조와 이를 뒤집은 형태의 인버티드(inverted) 구조로 나뉜다.

무엇보다 우수한 광전기적 특성과 저렴한 공정비용 등이 장점이다. 다만, 결함으로 인한 성능 저하 등 낮은 안정성 때문에 당장은 상용화가 어렵다.

과학원에 따르면 그동안 패시베이션(passivation) 및 결정화 제어 등으로 빠르게 효율을 높였지만 그 속도가 현저히 낮아져 ‘병목 현상’에 직면해 있다. 

과학원 관계자는 “연구를 통해 효율적이고 안정적인 태양전지를 만들 수 있는 명확한 방향을 제시했다”며, “페로브스카이트 태양전지 연구의 새로운 돌파구를 마련했다”고 기대했다.

중국과학원 연구원들이 페로브스카이트 태양전지의 성능을 테스트하고 있다. [사진=중국과학원]

그는 “페로브스카이트 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 것으로 기대한다”면서도, “페로브스카이트 내부의 다양한 양이온의 분포와 배터리 안정성, 효율 손실 등에 영향을 미치는 원인은 아직 명확하지 않다”고 설명했다.

이번 연구에는 과학원 태양광에너지 연구실(the Key Laboratory of Photovoltaic and Energy-Saving Materials) 판쑤(Pan Xu) 교수와 텐싱유(Tian Xingyou) 교수 연구팀도 참여했다. 성균관대 신재생에너지공학과 박남규 교수, 화북전력대(North China Electric Power University) 다이 송위안(Dai Songyuan) 교수 또한 협업했다.

이들 연구진은 개발한 페로브스카이트 필름을 적용해 활성 영역이 1㎠인 태양전지를 제작했다. 해당 태양전지는 ‘표준 조명’ 조건에서 최대 26.14%의 전력변환 효율을 보였으며 개방 전압(open-circuit voltage) 1.164V, 단락 전류밀도(a short-circuit current of density) 26.14mA/㎠를 나타냈다. 특히 2,500시간 후에도 셀의 효율은 처음의 92% 수준이었다. 

판쑤 교수는 pv magazine에 “페로브스카이트 필름의 수직 방향을 따라 불균일성을 시각화함으로써 양이온이 다른 속도로 결정화되고 변형된다는 것을 발견했다”며, “서로 다른 그룹의 양이온이 불균일하게 분포한다는 것을 알고 있지만 정확히 어떻게 분포하며 그 이유가 무엇인지는 아직 불분명하다”고 말했다.

박남규 교수는 “인버티드(inverted) 구조의 페로브스카이트 태양전지로도 충분히 효율을 높일 수 있다는 가능성을 제시한 것”이라고 평가했다. 박 교수는 “인버티드 구조는 노멀 형태에 비해 안정성은 높지만 효율이 낮은 게 한계였다”고 부연했다. 

그는 “효율이 높으면서 안정성을 담보할 수 있다면 그만큼 상용화는 빨라질 것”이라며, “중국은 페로브스카이트 태양전지 관련 연구개발에 많은 재원을 투자하고 있다”고 전했다.

 

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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