韓 연구진, 페로브스카이트 태양전지 모듈 양산기술 개발

에너지공과대·화학연 공동 연구팀 기술 개발 성공
주석 산화물 산성도 조절 통해 대면적 생산 가능성 확인
"상용화 시 차세대 모빌리티, 우주항공 태양전지 등 적용 가능"

[서울=뉴시스] 과학기술정보통신부에 따르면 정의혁 한국에너지공과대 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]심지혜 기자 = 차세대 태양광 소재로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 모듈의 대량생산 기술을 국내 연구진이 개발에 성공했다.

16일 과학기술정보통신부에 따르면 정의혁 한국에너지공과대 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다.

과기정통부 나노소재기술개발사업(나노커넥트) 및 개인연구사업(우수신진)의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 27.8)’에 지난 6일 표지 논문으로 선정됐다.

경제성 높지만 대면적 어려…보완 기술 필요성 요구

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 유연화, 경량화가 가능할 뿐만 아니라 원가가 낮아 경제성이 높다는 장점이 있다. 용액공정 기반으로 제작이 가능해 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력이 있다는 점에서 주목을 받았다.

최근에는 2024년 MIT가 발행하는 기술잡지 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’에서 10대 혁신 기술 중 하나로 선정되기도 했다. 최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭한 결과 단위 소자(0.1㎠이하 면적) 기준에서는 기존 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 광전 변환 효율(26.1%) 수준을 보여주고 있다.

다만 대면적 모듈에서는 단위 소자보다 효율이 낮고 불안정성이 커져 이를 보완할 기술이 필요했다.

한계를 극복하기 위해서는 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필수적이었다.

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 박막’을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심이다.

기존의 전자 수송층에 사용되는 산화주석 나노입자 분산액은 고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘단위소자’ 제작에 있어는 우수한 결과를 보여줬지만 ‘대면적화 적용 시’에는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점이 있었다.

[서울=뉴시스] 정의혁 한국에너지공과대 교수(왼쪽)와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다. (사진=과기정통부 제공) *재판매 및 DB 금지

주석 산화물 산성도 조절…상용화 성큼

이번 공동연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도 조절을 통해 최적의 점도를 확보하고, 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발해 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성을 여는 새로운 연구결과를 얻었다.

이번 개발한 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용하면 24.5㎠(미니 모듈)과 214㎠(서브 모듈)순으로 면적이 커져도 기존의 단위 소자 수준 대비 성능 차이가 현저히 줄어드는 성과를 확인했다.

이뿐 아니라 극한 환경(섭씨 85℃ 및 상대습도 85%) 및 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 장기 안정성을 나타냈다.

이번 개발한 기술은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로 기술 이전을 추진할 예정이다. 이를 통해 추후 상용화가 이뤄질 수 있을 것으로 예상된다.

정의혁 교수와 전남중 박사는 “이번 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀낸 것”이라며 "페로브스카이트 태양전지를 차세대 모빌리티, 건물일체형 태양전지, 우주항공 태양전지 등 기존 실리콘 태양전지로 한계를 갖는 분야에 적용할 수 있게 될 것"이라고 설명했다.

또한 "이와 같은 활용을 실현하기 위해서는 페로브스카이트 박막 위로 적층되는 유기 정공 수송 소재 및 저가형 전극 소재 개발이 함께 수반돼야 하는데, 연구팀이 이를 위해 연구를 진행하고 있다"고 덧붙였다.

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