대면적 페로브스카이트 태양전지 상용화 한 발 더 가까이...에너지연, 획기적인 효율 개선 기술 개발

페로브스카이트 태양전지 사진 및 전력변환 효율

한국에너지기술연구원은 그동안 상용화 걸림돌로 여겨졌던 대면적 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이중구조 전자수송층 제조 기술을 개발, 관련 성과를 21일 과학분야 세계 최고권위 학술지인 '사이언스'에 게재했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 용액공정으로 값싸고 손쉽게 제조할 수 있어 가장 많이 연구되는 분야다. 국내에서 25.7% 세계기록과 최고기술을 보유하고 있지만 이는 0.1㎠ 이하 소면적 셀이며, 대면적(200㎠ 이상) 제조기술은 일본 등 선진국에 뒤처져 있다. 국내에서도 상용화를 위한 고효율 대면적 기술 개발이 필요하다.

고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제조하려면 전자수송층을 얇고 균일하게 형성하는 것이 중요하다. 두께가 얇을수록 빛이 잘 통과해 높은 전류값을 구현할 수 있다. 균일하지 못한 전자수송층은 결함이 돼 효율손실 원인이 된다.

기존 전자수송층은 화학 용액 증착법(CBD)으로 제조된 산화주석, 치밀막 산화타이타늄 위에 다공성 산화타이타늄을 형성하는 방법이 대표적이다. CBD로 만든 산화주석은 저온 공정이 가능하지만, 제조 시간이 매우 길며 대면적에서는 균일성이 떨어진다고 알려져 있다. 산화타이타늄은 박막 안정성이 낮고, 500도 이상 온도에서 1시간 이상 처리해야 해 대면적 상용화에 적합하지 않다고 여겨져 왔다.

연구팀은 두께가 얇고 균일하며 저온에서도 제조 가능한 전자수송층을 개발했다. 제조 시간도 최적화 한다면 10분 이내로 가능하다. 이번 기술을 활용하면 크기에 상관없이 균일한 박막을 짧은 시간 내에 150도 이하 저온에서도 만들어 낼 수 있다.

연구결과에 따른 대면적 페로브스카이트태양전지 모식도

기술 핵심은 산화주석과 산화타이타늄 박막을 이중으로 코팅하는 것이다. 먼저 산화타이타늄으로 치밀막을 형성한 뒤, 산화주석 나노입자를 도포하는 식이다. 이때 폴리 아크릴릭산(PAA)을 이용하면 두 입자 사이 상호작용을 통해 굴곡진 표면에서도 균일한 두께로 산화주석을 결함 없이 코팅할 수 있다는 것을 발견했다. 이렇게 형성된 전자수송층은 태양전지에 활용할 경우 전하의 재결합을 억제하고, 빛 흡수율을 획기적으로 향상시켜 고효율 태양전지를 얻을 수 있었다.

개발 기술을 페로브스카이트 태양전지에 적용, 0.1㎠ 이하 소면적 태양전지 효율 25.72%로 비공인 세계기록을 달성했으며, 국제공인인증기관(Newport)에서도 25.4%의 효율을, 25㎠ 및 64㎠ 크기 서브 모듈에서도 각각 21.66%와 20.55% 공인인증 효율을 기록했다. 모두 세계 최고수준 변환효율이다.

김동석 에너지연 울산차세대전지연구개발센터장은 “이 기술을 활용해 200㎠ 서브모듈에 적용했을 때도 18% 이상 (비공인) 세계 최고효율을 달성했다”며 “이는 향후 대면적 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 핵심기술이 될 것으로 확신한다”고 말했다.

김동석 센터장

또 “기존기술과 달리 제조시간이 매우 짧으며 150도 이하에서 모든 공정이 가능하고 대면적 적용에도 급격한 효율저하가 없어, 상용화 난제 해결에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.

한국에너지기술연구원 '기본사업'(다기능 차세대 박막 태양전지 핵심요소 기술개발)' 및 한국연구재단 '기후변화대응 기술개발사업'의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 스위스 로잔공대팀과 국제협력을 통해 이뤄졌다.

김영준기자 kyj85@etnews.com

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