고품질 페로브스카이트 태양전지 대면적화 가능성 열었다

국내 연구팀이 '차세대 태양전지'인 페로브스카이트 태양전지의 고품질·고안정성 모듈을 대량생산 할 수 있다는 내용의 논문을 발표했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 '차세대 태양전지'로 불리는 페로브스카이트 태양전지의 고품질·고안정성 모듈을 대량생산할 수 있다는 연구결과를 제시했다. 에너지 분야 국제 학술지 표지로 소개돼 주목 받는 결과다.  

과학기술정보통신부(과기정통부)는 정의혁 한국에너지공과대 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트 모듈 개발에 성공했다고 15일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 널리 쓰이는 실리콘 기반의 1세대 태양전지와 비교해 유연화, 경량화가 가능할 뿐만 아니라 원가가 낮아 경제성이 높다. 기판 위에 용액을 코팅해 비교적 쉽게 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력이 있다.

페로브스카이트 태양전지는 최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭한 결과 단위 소자(0.1cm^2이하 면적) 기준에서는 광전 변환 효율 26.1%로 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 수준을 보여주고 있다.

다만 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하는 데에는 많은 제약과 한계가 있다. 페로브스카이트 태양전지의 한계 효율은 27% 수준이지만 그간 상용화를 위한 대면적 셀의 효율은 20%를 넘지 못했다. 효율을 높이기 위해선 소재 최적화, 코팅 균일화, 레이저 공정 최적화 과정이 필수다. 대면적 소자의 다양한 요소를 최적화하는 과정이 쉽지 않기 때문이다. 

페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 적층돼 있는 구조다. 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 '전자 수송층'의 결함을 제어해 균일한 대면적 박막을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소 중 하나다.

기존의 전자 수송층에 주로 사용되는 '산화주석 나노입자 분산액'은 대면적화 적용 시에는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점이 있었다.

연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도 조절을 통해 최적의 점도를 확보했다. 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발해 산성도 조절에 성공해 태양전지 모듈을 만들 수 있었다.

연구팀은 "이번에 개발된 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용할 경우 넓이가 24.5cm^2과 214cm^2순으로 면적이 커져도 기존의 단위소자 수준에서 성능과의 차이가 크지 않았다"며 "섭씨 85℃, 상대습도 85%의 극한환경과 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 우수한 장기 안정성을 보여줬다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성이 열린 셈이다. 

개발된 기술은 전자 수송층의 균일성 및 결함 제어 기술은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로의 기술 이전이 예정돼 있다. 추후 대량생산을 통해 상용화에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.

정 교수와 전남중 연구원은 “본 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점이며 기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하여 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다. 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 6일 표지 논문으로 선정됐다. 

[이채린 기자 rini113@donga.com]