한국과학기술원(KAIST)이 태양광을 전기로 변환하는 효율이 세계 최고 수준인 제품을 개발했다.

KAIST는 연세대학교와의 공동 연구팀을 통해 세계 최고 효율의 납 기반 ‘페로브스카이트 하이브리드 태양전지’를 개발했다고 31일 밝혔다.

페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 특징을 원하는 대로 바꿀 수 있으며, 상황에 따라 초전도 현상까지도 나타나는 산화물이다.

이를 전기 변환 촉매로 사용할 경우 기존 실리콘 태양전지보다 효율이 높고 저렴해지기에 대량생산에 적합한 차세대 제품이 된다.

그러나 이 역시 빛 흡수 영역이 가시광선에 한정되면서 태양에너지의 48%만을 활용할 수 있어 최종 효율은 20%보다 낮은 한계점이 존재한다.

이에 연구팀은 가시광선을 넘어 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 '유기 벌크 이종접합' 공법을 페로브스카이트에 도한 '하이브리드' 태양전지를 개발했다.

액체수소 생산 및 안전밸브 평가 원스톱 장치 [전기연구원 제공]

보통 서로 다른 두 소재를 접합할 경우 에너지 차이로 인해 효율 손실이 발생하지만, 연구팀은 나노미터 두께의 다이폴 층을 도입해 이를 최소화다.

다이폴 층은 쌍극자와 계면의 전위 차이를 이용해 소자의 성능을 높이는 얇은 물질이다.

최종적으로 개발된 전지의 광 변환 효율은 24%이며, 기존 최고 기록인 23%보다 1%p 더 높다.

절대 수치로는 효율이 낮지만, 해가 뜬 시간에는 쉼 없이 전력을 생산할 수 있으며 태양광 전지의 이론적 한계 효율이 30%로 예상되기에 1%p의 수치 차이로도 최종 전력 생산량 차이는 커진다.

한편 연구팀은 태양광 발전이 힘들다고 알려진 상대습도 80% 이상 극한 수분 환경에서도 태양전지가 1600시간 동안 80% 이상의 성능을 유지한 것을 확인했다고 밝혔다.

KAIST 이정용 교수는 "근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 높여 기존 페로브스카이트가 가진 기계적·화학적 안정성 문제를 해결할 것"이라고 말했다.