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UNIST, 건물 외벽·차량 선루프에 설치하는 태양전지 소재 개발

입력 : 2020.10.15 12:00

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[헬로티]


건물 외벽이나 차량 선루프에 태양전지를 붙여서 전기에너지를 얻는 시대가 성큼 다가왔다. 핵심 기술인 페로브스카이트 태양전지의 발전효율과 안정성을 동시에 끌어 올릴 수 있는 방법을 찾았기 때문이다.


UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 광활성층의 미세 구조 변형을 최소화해 발전효율과 안정성을 모두 잡을 수 있는 기술을 개발했다.


▲UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수


광활성층을 구성하는 입자(이온)간 크기를 고르게 맞춰주는 새로운 방법으로 내부 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 발생하는 문제점을 해결했다. 이 물질을 쓴 석 교수팀의 페로브스카이트 태양전지는 논문으로 보고된 최고효율인 25.17%의 발전효율을 기록했다.


페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 건물 외벽이나 주행하는 차량에 설치할 수 있다는 장점이 있다. 햇볕의 각도(입사각)에 영향을 덜 받고 가볍기 때문이다. 게다가 저온에서도 쉽게 제조할 수 있다.


페로브스카이트 태양전지 전지 상용화에서 제일 중요한 과제는 안정성과 효율을 모두 갖춘 광활성층 소재를 개발하는 것이다. 광활성층은 태양광을 받아 전하(전기) 입자를 만들고 이를 전극으로 보내는 중요한 역할을 한다. 이때 물질 내부 미세 구조에 결함이 많으면 전하 입자 전달 효율이 떨어지는 문제가 있다. 결함에서 전하 입자가 사라지기 때문이다.


개발된 페로브스카이트 광활성층의 내부 구조(결정 구조)와 페로브스카이트 태양전지 작동 원리


석상일 교수팀은 광활성층인 페로브스카이트를 구성하는 이온의 종류와 비율을 바꿔 내부 결함을 줄이고 화학적 안정성을 높였다. 결함의 주요 원인을 이온 크기가 서로 맞지 않아 발생하는 구조적 변형이라고 보았기 때문이다.


크기가 큰 이온이 여러 개 있으면 내부의 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 결함이 생기는 것이다. 또 이 구조적 변형은 물질에 결함을 많이 만들 뿐만 아니라 물질을 불안정하게 하고 전하 전달도 방해한다.


개발된 페로브스카이트 소재는 내부의 압력과 변형이 완화돼 구조적 안정성을 얻었을 뿐만 아니라 결함이 적어 전지가 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율이 높다. 이를 통해 25.17%의 높은 효율(공인 인증 효율 24.44%)을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 얻을 수 있었다.


/조상록 기자(mandt@hellot.net)

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