“독성물질 없이 25% 최고효율” 페로브스카이트 태양전지 상용화 성큼

- UNIST 석상일 교수팀, 친환경 용매 공정기술 개발

윤현성 연구원이 에탄올 기반 페로브스카이트 용액을 들어보이고 있다.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 태양전지 대표주자로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 상용화 걸림돌로 작용하던 독성용매 없는 공정기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 석상일 특훈교수팀은 ‘에탄올 기반의 친환경 용매’에 ‘할라이드 페로브스카이트’를 용해해 코팅하는 방법으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다. 이렇게 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율은 25% 이상으로, 현재 저독성 용매를 사용한 것 중에서 가장 높다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지)’ 8월 18일(현지시각)자에 공개됐다.

기존 페로브스카이트 태양전지 제조에서는 독성 용매인 ‘다이메틸포름아미드(DMF)’를 사용했다. 태양전지에 페로브스카이트를 얇게 코팅하려면 용매에 녹여야 하는데, 다른 친환경 용매에서는 페로브스카이트를 녹일 수 없었기 때문이다.

연구팀은 독성이 없으면서 페로브스카이트를 녹일 수 있는 용매 기반 물질로 ‘에탄올’을 선택했다. 다음으로 페로브스카이트가 에탄올에 잘 녹을 수 있도록 착화합물 구조를 설계했다. 이를 이용해 ‘에탄올 기반의 페로브스카이트 전구체 용액(이하 에탄올-페로브스카이트 용액)’을 만들었는데, 이 물질은 친수성이라 산화물 전극 위에 잘 발라진다. 또 코팅 중 2차 처리를 하지 않아도 매우 균일하고 치밀하게 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다.

석상일 교수는 “페로브스카이트와 결합해 용해성이 우수한 착화합물을 제조한 게 이번 기술의 핵심”이라며 “코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발하는 속도를 제어할 수 있는 결합물 조합을 최적화해 치밀하고 균일하면서 결정성이 우수한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다”고 설명했다.

에탄올-페로브스카이트 용액은 산화물 전극 기판 위에 떨어뜨려서 젖게 하는 것만으로도 대면적이며 균일한 두께의 페로브스카이트 코팅 박막이 만들어졌다. 일반적으로 용액공정을 이용한 페로브스카이트 박막 제작에는 스핀코팅, 슬롯다이, 바코팅 등의 공정이 적용된다.

특히 이 방법으로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 일반적인 스핀 코팅 방법으로 제조한 효율과 거의 차이가 없었다.

석상일 UNIST 에너지화학공학과 특훈교수.[UNIST 제공]

석 교수는 “페로브스카이트 태양전지 연구는 그동안 효율과 안정성 향상에 집중했는데, 이제는 독성 용매의 사용을 줄이거나 없애는 상용화 기반 연구가 더욱 중요한 시점”이라며 “이번 연구는 이 문제를 해결할 출발점”이라고 의미를 강조했다.

한편 페로브스카이트 태양전지는, 상용화된 실리콘 태양전지와 달리, 얇고 가볍고 유연하며 용액공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다. 전하(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 페로브스카이트를 쓴다.

석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지로 ‘마의 효율’이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 인물이다. 세계 최고의 공인 효율을 스스로 여섯 차례나 경신했으며 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다.

nbgkoo@heraldcorp.com

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