‘꿈의 태양전지’ 상용화 성큼⋯ UNIST, 고효율 탠덤전지 핵심기술 확보
세계 최고 수준 대기 중 제조 효율 달성
차세대 태양광 상용화 기반 마련
UNIST 연구진이 차세대 태양광 산업의 핵심 기술로 꼽히는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 대량생산 가능성을 높이는 계면 코팅 물질을 개발했다. 수분과 산소가 존재하는 일반 대기 환경에서도 세계 최고 수준의 효율을 구현하며 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.
UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수와 신소재공학과 최경진 교수 연구팀이 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학(KAUST) 연구진과 공동으로 고효율 탠덤 태양전지용 계면 코팅 물질을 개발했다고 밝혔다.
페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 적층한 구조로, 기존 실리콘 태양전지보다 높은 발전 효율을 구현할 수 있어 ‘꿈의 태양전지’로 불린다.
연구팀이 개발한 물질은 전극과 페로브스카이트층 사이에 형성되는 얇은 접촉층으로, 전극 표면에 균일하게 코팅돼 전하 손실을 줄이고 전류 이동을 원활하게 하는 역할을 한다.
기존 계면 코팅층은 수분에 취약해 고효율 태양전지를 제작하려면 수분과 산소를 차단한 특수 설비가 필요했다. 반면 이번에 개발된 3성분 기반 코팅 물질은 일반 대기 환경에서도 안정적인 박막 형성이 가능해 생산 공정의 난이도와 비용을 낮출 수 있다.
연구팀은 기존 코팅 물질인 Me-4PACz에 GDMA와 AG를 추가해 코팅층의 균일성과 접착력을 높이고 계면 결함을 줄였다. 이를 통해 전하 손실을 최소화해 태양전지의 효율과 전압을 동시에 향상시켰다.
실험 결과 해당 기술을 적용한 탠덤 태양전지는 일반 대기 중 제조 환경에서 31.72%의 효율을 기록했다. 이는 대기 중 제조된 탠덤 태양전지 기준 세계 최고 수준이며, 공인 인증 효율도 31.36%로 확인됐다.
내구성도 우수했다. 별도의 보호 포장 없이 85도의 고온 환경에 600시간 노출한 뒤에도 초기 성능의 92% 이상을 유지했으며, 실제 태양광을 모사한 강한 빛을 1천 시간 동안 조사한 후에도 90% 이상의 효율을 유지했다.
또한 7×7㎠ 크기의 대면적 기판에서도 균일한 박막 형성과 낮은 불량률을 확인해 향후 대량생산 공정 적용 가능성도 입증했다.
이번 연구에는 UNIST 김귀수 연구원과 노영임 연구원, KAUST 아디 프라세티오 연구원이 공동 제1저자로 참여했으며, 홍콩중문대 선전캠퍼스와 독일 율리히 연구소 연구진도 공동 연구에 참여했다.
최경진 교수는 “이번 연구는 정부의 K-문샷 프로젝트가 추진하는 초고효율 다중접합 태양전지 개발과도 맞닿아 있다”며 “차세대 태양광 기술 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
석상일 특훈교수는 “고효율 탠덤 태양전지 상용화를 위해서는 성능뿐 아니라 공정 재현성과 생산 비용 문제도 해결해야 한다”며 “이번 연구는 일반 대기 환경에서도 안정적인 제조가 가능하다는 점을 입증한 성과로 대면적 생산 기술 개발의 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구 결과는 광학·광자공학 분야의 세계적 학술지인 『네이처 포토닉스(Nature Photonics)』에 지난 1일 게재됐다.
이번 성과는 페로브스카이트 태양전지가 연구실 수준의 기록 경쟁을 넘어 실제 산업 현장으로 진입하는 전환점이 될 가능성을 보여준다. 지금까지 탠덤 태양전지는 높은 효율에도 불구하고 복잡한 생산 공정과 높은 제조 비용이 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 하지만 이번 기술은 수분과 산소가 존재하는 일반 대기 환경에서도 30% 이상의 고효율을 구현하면서 대량생산 가능성을 한층 높였다는 점에서 의미가 크다. 향후 기술 고도화와 생산 공정 검증이 이어질 경우 차세대 태양광 시장에서 한국이 기술 주도권을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
울산=송희숙 기자 bitmul1@viva100.com