10대 혁신기술 '페로브스카이트 태양전지', 대량생산 가능해진다 [세상을 깨우는 발견]

과기정통부, 국내 연구진이 고품질·높은 안정성·저원가의 태양전지 제작

[유창재 기자]

▲ 연구 성과 대표 결과 및 Advanced Energy Materials 표지 한국에너지공대와 한국화학연구원 공동연구팀이 제안한 산성도 조절에 따른 주석산화물 표면공학을 이용한 면적 당 소자 효율 및 구동 안정성 테스트 결과이다. 오른쪽 이미지는 2024년 7월 14권 25호 본 연구 결과로 대표하는 Advanced Energy Materials 표지이다. (그림설명 및 그림제공 : 한국에너지공과대학교 정의혁 교수)

기존 실리콘 태양전지와 비교하여 유연화·경량화가 가능할 뿐만 아니라, 원가가 낮아 높은 경제성 등 많은 장점을 가지고 있는 '페로브스카이트(Perovskite) 태양전지' 모듈의 대량생산을 가능하게 하는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

나아가 전자수송소재 나노입자 표면공학(주석 산화물 산성도 조절)을 통한 대면적 모듈 상용화에 획기적인 역할을 할 수 있을 전망이다.

과학기술정보통신부(장관 이종호, 아래 과기정통부)는 16일 "정의혁 한국에너지공과대학교 교수와 전남중 한국화학연구원 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다"고 밝혔다.

이어 페로브스카이트 태양전지에 대해 "최근에는 2024년 <MIT 테크놀로지 리뷰(Technology Review)>에서 10대 혁신 기술 중 하나로 선정된 바 있다"면서 "최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭한 결과, 단위 소자(0.1cm2이하 면적) 기준에서는 기존 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 광전 변환 효율(26.1%) 수준을 보여주고 있다"고 설명했다.

참고로, MIT 테크놀로지 리뷰는 미국 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 발행하는 기술분석 잡지로, 미래기술 분석과 관련해 가장 저명하고 신뢰성 있는 간행물로 평가받고 있다. 그리고 '광전 변환 효율'은 2024년 4월 National Renewable Energy Laboratory(미국신재생에너지연구소)가 공식적으로 인증한 효율이다.

무엇보다 페로브스카이트 태양전지는 용액공정 기반으로 제작이 가능해 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력을 갖고 있어 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 하지만, 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하는 데에는 많은 제약과 한계를 가지고 있는 것이 현 상황이다.

과기정통부는 "이런 한계점을 극복하기 위해서는 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필수적으로 요구되고 있다"면서 "특히, 페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 적층되어 있는 구조로, 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 '전자 수송층'의 결함을 제어하여 '균일한 대면적 박막'을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소 중 하나"라고 강조했다.

또한 기존의 전자 수송층에 사용되는 산화주석 나노입자 분산액의 경우 고효율 페로브스카이트 태양전지 '단위소자' 제작에 있어는 우수한 결과를 보여주었지만, '대면적화 적용 시'에는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점을 갖고 있다고 부연했다.

이에 정의혁 교수·전남중 책임연구원 공동연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도를 조절해서 최적의 점도를 확보하고, 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발해냈다. 그 결과, 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성을 여는 새로운 연구결과를 얻을 수 있었다.

무엇보다 연구팀은 이번에 개발된 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용하였을 경우 24.5cm2(mini-module)과 214cm2(sub-module)순으로 면적이 커져도 기존의 단위소자 수준에서의 성능과의 차이가 현저히 줄어드는 성과를 얻었다. 이와 함께 극한 환경(섭씨 85℃ 및 상대습도 85%) 및 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 우수한 장기 안정성을 보여주는 것으로 확인할 수 있었다.

정의혁 교수와 전남중 박사는 "이번 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점"이라며 "기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하여 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"라고 전했다.

나아가 연구팀은 이번 연구를 통해 개발된 '전자 수송층의 균일성 및 결함 제어 기술'은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로의 기술 이전을 계획하고 있으며, 추후 대량생산을 통해 상용화가 빨리 진행되도록 힘을 실을 수 있을 것으로 기대하고 있다.

한편, 이번 연구는 과기정통부 나노소재기술개발사업(나노커넥트) 및 개인연구사업(우수신진)의 지원으로 수행했으며, 연구 성과는 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials>(IF 27.8)에 7월 6일자 표지 논문으로 선정됐다.