차세대 태양전지 ‘대면적 효율’ 세계기록

화학연구원·KAIST 공동 연구팀
이온성 액체형태 도펀트 물질 개발
기존 17.9% 18.24% 효율 상향
유니테스트 기술 이전 상용화 추진

세계 최고 효율을 달성한 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀(왼쪽)과 공동 연구진인 서장원(왼쪽부터) 카이스트(KAIST) 교수와 김영웅 한국화학연구원 박사(현 한국생산기술연구원 박사), 전남중 한국화학연구원 박사 [한국화학연구원 제공]

국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받는 페로브스카이트 태양전지 대면적 효율을 세계 최고수준으로 끌어올렸다.

3일 한국화학연구원에 따르면 전남중 한국화학연구원 박사와 서장원 카이스트(KAIST) 교수 공동 연구팀이 우수한 용해성을 가지는 이온성 액체 형태의 도펀트(Dopant·전기 전도도를 높이는 첨가제)를 개발, 이를 통해 18.24%의 세계 최고 수준 효율과 안정성을 동시에 확보했다.

전세계적으로 공신력이 있는 페로브스카이트 태양전지 차트인 ‘NREL 차트’ 기준 200㎠ 이상 대면적에서 17.9%가 기존 최고 효율이었는데 이를 갱신한 것이다.

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있으면서도, 유연하고 훨씬 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 전세계적으로 각광을 받아 왔다.

현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 좁은 면적 (~0.1 ㎠)에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이루어져 왔다. 넓은 면적에 동일한 성능을 구현할 수 있어야 하며, 장시간 동안 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 기술 확보가 필수임에도, 현재 이런 안정성과 대면적화에 집중된 연구는 부족한 실정이다.

특히 그동안 페로브스카이트 태양전지 정공수송층(Hole Transport Layer)에 주로 사용되던 유기 단분자 소재는 효율 확보에는 유리하나 열에 매우 취약했다. 반면에 유기 고분자인 PTAA(폴리트리아릴아민)는 고온에서 매우 안정하지만 효율을 극대화하기에는 한계가 있었다.

공동연구진은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서, 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완해 효율과 안정성을 획기적으로 향상, 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발했다.

이를 통해 18.24%의 세계 최고 수준의 효율을 달성했고, 연속광조사 1080시간 후 초기효율 대비 89% 이상과 85도, 85% 조건 하에서 초기효율 대비 90% 이상을 유지할 수 있었다.

연구팀은 2016년부터 꾸준히 연구해온 특히 대면적 코팅기술과 레이저 식각 공정을 적용해 고효율과 고안정성을 갖는 대면적 페로브스카이트 셀을 실현할 수 있었다.

현재 상용화 한 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적의 세계 최고 효율 및 장기 안정성까지 확보, 저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것으로 전망된다.

연구팀은 관련 기술을 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다.

이영국 한국화학연구원 원장은 “소재·에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘에너지 환경과학’ 2023년 3월호 논문으로 게재됐다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com