페로브스카이트 태양전지 최고 효율 확보…상용화 착수

기사내용 요약
화학연구원, 200㎠ 대면적 셀 세계 최고 효율인 18.24% 달성
신규 '도펀트'개발 통해 안정성 효율성 확보, ㈜유니테스트에 기술이전

[대전=뉴시스] 신규 도펀트를 적용해 레이저 식각 공정으로 제작한 대면적 셀. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발하고 사용화에 나선다.

한국화학연구원은 에너지소재연구센터 전남중 박사와 KAIST 서장원 교수가 공동연구를 통해 기존 흡습성이 큰 도펀트를 대신해 우수한 용해성을 갖는 이온성 액체 형태의 도펀트를 개발, 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성을 확보했다고 2일 밝혔다.

도펀트(Dopant)는 재료 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물로 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 포함돼 전기전도도를 향상시키는 역할을 한다.

공동 연구팀은 신규 도펀트로 페로브스카이트 태양전지 200㎠ 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 달성했다. 활성면적 기준으로는 19.91%로 이는 세계 최고 수준의 효율이다.

연구팀에 따르면 국제 공신력을 보유한 페로브스카이트 태양전지 차트인 'NREL 차트' 기준으로 200㎠ 이상 대면적에서 17.9%가 최고 효율이었다. 연구팀은 이번 우리 기술을 국제 공인 뒤 NREL 차트 반영을 추진할 예정이다.

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있으면서 유연하고 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 세계적으로 각광을 받고 있다.

그동안 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 주로 사용되던 유기 단분자 소재인 스파이로(Spiro-OMeTAD)는 효율 확보에는 유리하나 열에 매우 취약했다. 반면 유기 고분자인 폴리트리아릴아민(PTAA)은 고온에서 매우 안정하지만 효율을 극대화하기에는 한계가 있다.

이번에 공동연구팀은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완해 효율 및 안정성을 획기적으로 높이고 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발했다.

연구팀 관계자는 "산-염기 반응에 착안해 정공 전달 고분자 PTAA에 전도도를 향상시킬 수 있는 산 물질과 페로브스카이트 표면의 결함을 억제, 안정성을 확보할 수 있는 아민 계열의 염기 물질을 반응시켜 신규 도펀트를 개발했다"며 "아민의 탄소 원자 수와 농도를 조절해 용액 내에 완전히 분산시켜 성공적으로 200㎠ 이상의 대면적에 코팅할 수 있었다"고 설명했다.

이를 통해 ▲18.24%의 세계 최고 수준 효율 달성 ▲연속광조사 1080시간 후 초기효율 대비 89% 이상 유지 ▲85도, 습도 85% 조건에서 초기효율 대비 90% 이상을 기록했다.

현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적의 세계 최고 효율 및 장기 안정성까지 확보, 저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 상용화에 속도가 붙게 될 전망이다.

연구팀은 해당기술에 대해 지난해 국내 특허 등록을 마치고 현재 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료했다. 또 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술 이전, 상용화에 돌입할 예정이다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 'Energy Environmental Science'에 지난 3월 발표됐다.

화학연 이영국 원장은 “소재 및 에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있길 기대한다"고 말했다.

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