울산과학기술원(UNIST) 연구진이 천연 물질인 '캠퍼 유도체'를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 성능을 크게 향상시키는 데 성공했다.

양창덕 UNIST 에너지화학공학과 교수 연구팀은 29일 캠퍼퀴논(camphorquinone)을 첨가제로 사용한 고효율 페로브스카이트 박막 제조 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술로 태양전지 효율을 9.6% 끌어올리고 수명도 2배 이상 연장했다.

페로브스카이트 태양전지는 결정 입자들로 구성된 박막 구조를 갖는다. 결정이 클수록, 배열이 균일할수록 전자 이동이 활발해져 태양전지 성능이 좋아진다. 하지만 기존 첨가제들은 제조 완료 후에도 박막 내부에 잔존해 오히려 성능을 떨어뜨리는 부작용이 있었다.

연구팀이 주목한 것은 녹나무에서 추출한 캠퍼에 산화 작용기를 붙인 캠퍼퀴논의 독특한 승화 특성이다. 드라이아이스처럼 고체 상태에서 직접 기체로 변하는 이 물질은 단계별로 승화되는 특징을 보인다.

1차 열처리에서는 결정 핵 생성을 도우며 부분적으로 승화하고, 결정 성장 과정에서는 박막 안에 머물러 품질 향상에 기여한다. 2차 열처리 단계에서는 완전히 승화돼 흔적 없이 사라진다.

박지원 제1저자는 "캠퍼퀴논은 결정 성장 단계에 맞춰 작용 시점을 조절할 수 있으면서도 박막에 아무런 잔여물을 남기지 않는다"며 "이런 특성 덕분에 고품질 박막을 만들 수 있었다"고 설명했다.

개발된 태양전지는 25.2%의 광전 변환효율을 달성했다. 첨가제를 사용하지 않은 기존 방식(23.0%)보다 약 9.6% 향상된 결과다. 수명 성능도 크게 개선됐다. 실제 운용 환경을 재현한 MPPT 조건에서 1000시간 동안 초기 효율의 90% 이상을 유지하며 기존 대비 2배 이상 긴 수명을 보였다.

양창덕 교수는 "페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 자연에서 유래한 친환경 물질로 풀 수 있다는 점에서 의미가 있다"며 "태양광 산업의 지속 가능성과 기술 고도화를 함께 이끌 수 있는 기술"이라고 평가했다.

이번 연구는 친환경 에너지 분야 최고 권위 학술지인 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 30.8)에 6월 21일자로 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다.