값싼 주석으로 만든 차세대 태양전지, 1000시간 가동

UNIST-에너지기술연구원 공동 연구 성과
티타늄 대신 값싼 주석을 산화물층에 발라
페로브스카이트 태양전지 25.56% 효율 달성
65도 열·자외선에 1000시간 동안 80% 유지

울산과학기술원(UNIST) 에너지 하베스팅 연구실에서 페로브스카이트 태양전지의 성능을 테스트하고 있다. 사진=김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 탄소중립대학원 김동석 교수팀과 한국에너지기술연구원 조임현 박사팀이 페로브스카이트 태양전지에 저렴한 주석 염화물을 사용해 전기변환 효율을 높이고 내구성까지 향상시켰다. 연구진이 주석 염화물로 만든 페로브스카이트 태양전지는 최대 25.56%의 효율을 달성했으며, 65도의 열 안정성 시험에서 1000시간 동안 80%의 초기성능을 유지했다.

연구진은 열과 자외선 노출에도 오랫동안 견딤으로써 태양전지의 인증시험에 도움이 될 것으로 전망했다. 또한 비싼 티타늄 산화물 대신 값싼 주석 염화물을 사용해 고효율, 고강도, 저비용을 동시에 실현할 수 있을 것으로 보고 있다.

4일 UNIST에 따르면 페로브스카이트 태양전지의 성능을 끌어올리기 위해서는 전자가 잘 흐를 수 있도록 돕는 박막 '전자수송층'의 표면 결함을 제어하는 것이 중요하다. 이 결함은 태양전지의 효율 뿐만아니라 안정성에도 큰 영향을 미친다.

연구진은 주석 염화물을 물에 녹여 산화물층에 발랐다. 처리 과정에서 형성된 수산화 주석이 산화물 주석의 상층부를 완전히 산화시키고, 산이 재결정화를 이뤄내 전자가 잘 이동할 수 있도록 만들어졌다.

이 화학용액 증착법은 주석 산화물층을 형성하는 기술이다. 주석이 완전히 산화되지 않은채 표면에 자연스럽게 결함이 생긴다. 박막을 형성한 후 결함을 줄이는 처리는 고효율과 장기 안정성을 동시에 확보하는 핵심 기술이다.

또한 기존에 쓰던 티타늄 산화물은 광촉매 특성이 높아 접촉면간의 결함을 유발하지만, 주석 산화물은 상대적으로 낮은 광촉매 특성을 가짐과 동시에 전자 이동도가 약 250배 가량 높다.

연구진은 이 기술을 이용해 만든 태양전지의 성능을 테스트했다.

페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 위해서는 다양한 인증시험 통과가 필수적이다. 이 태양전지는 전자 수송층을 개선해 25.56%의 효율을 달성했다. 또한 1000시간 동안 열과 자외선에도 견뎌냈다.

김동석 교수는 "주석 산화물의 뭉침 현상을 억제하고, 결정성을 높이는 데 성공했다"며, "이 기술이 태양전지의 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 태양전지 기술을 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표했다.
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monarch@fnnews.com 김만기 기자