"대면적 페로브스카이트 모듈 결함 제어…상용화 걸림돌 없앴다"

한국에너지공대·화학연 공동 연구팀

정의혁 한국에너지공과대학교 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀은 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트 모듈 개발에 성공했다. 사진은 국제 학술지 표지 논문에 실린 연구 성과./과학기술정보통신부

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 모듈의 대량생산을 위한 걸림돌을 제거했다.

정의혁 한국에너지공과대학교 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀은 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트 모듈 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.

이번 연구 사업은 과기정통부 나노소재기술개발사업과 우수신진 개인연구사업의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 4월 게재됐고, 최근호 표지 논문에도 실렸다.

페로브스카이트(Perovskite)는 ABX₃ 화학식을 갖는 광물을 일컫는 말이다. A, B는 양이온, X는 음이온으로, 흔히 산소를 음이온으로 사용하는 산화 페로브스카이트가 잘 알려져 있다. 페로브스카이트 중에서도 X가 할로젠화 이온인 할로젠화(할라이드) 페로브스카이트는 태양전지 소재로 활용할 수 있다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 유연화, 경량화가 가능하고 원가도 낮다. 용액공정 기반으로 제작이 가능해 신문을 인쇄하듯 대면적화도 가능하다. 지난 4월 미국신재생에너지연구소 공식 인증 기준으로 26.1%의 광전 변환 효율을 기록했다. 실리콘 태양전지와 비교해 효율이 큰 차이가 나지 않는다.

문제는 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 기술을 대면적 모듈에 적용하는 것이 쉽지 않다는 점이다. 페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자수송층과 정공 수송층이 적층돼 있는 구조다. 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 전자 수송층의 결함을 제어해 균일한 대면적 박막을 만드는 것이 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소다.

지금은 산화주석 나노입자 분산액을 전자 수송층에 넣어서 코팅을 하는 방식으로 균일하고 결함없는 박막을 만들고 있다. 하지만 이 방식은 단위소자에서는 문제가 없지만, 면적이 커지면 간헐적으로 결함이 생기는 단점이 있었다.

공동 연구팀은 산화주석 나노입자 분산액의 산성도를 조절하는 식으로 박막의 면적을 키워도 결함이 발생하지 않는 기술을 개발했다. 연구팀이 섭씨 85도와 상대습도 85% 등 극한 환경에서 기술을 실험했을 때도 높은 안정성을 보였다.

연구팀은 페로브스카이트 소재 기업에 기술을 이전해 상용화에 나선다는 계획이다. 연구팀은 “대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다”며 “기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발해 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

참고 자료

Advanced Energy Materials(2024), DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202400791

Advanced Energy Materials(2024), DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202470101

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