'고품질' 페로브스카이트 태양전지 모듈 대량생산 실마리

화학연·한국에너지공대 공동 연구

고품질 전자 수송층 구현해 고성능 모듈 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 고품질 태양전지 모듈을 대량생산할 가능성을 높였다.

과학기술정보통신부는 전남중 한국화학연구원 책임연구원과 정의혁 한국에너지공대 교수 공동 연구팀이 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈을 개발했다고 15일 밝혔다.

정의혁 한국에너지공대 교수(왼쪽)와 전남중 한국화학연구원 박사(오른쪽).(사진=과학기술정보통신부)

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 유연화, 경량화가 가능하다. 원가도 낮아 경제성이 높다. 용액공정 기반으로 제작할 수 있어 신문을 인쇄하듯 대면적화도 가능한 태양전지다.

최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭해 미국신재생에너지연구소(NREL) 공식효율로 단위 소자 기준에서 기존 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 광전 변환 효율인 26.1%를 달성했다.

하지만, 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하기에는 한계가 있었다. 이를 극복하려면 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필요하다.

페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 쌓인 형태의 구조다. 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 ‘전자 수송층’의 결함을 제어해 ‘균일한 대면적 박막’을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소다.

기존 전자 수송층에 쓰는 산화주석 나노입자 분산액은 고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘단위소자’ 제작에서 우수한 결과를 보여줬지만, 대면적화 적용 시 점도가 낮아 결함 제어를 못해 단위소자 성능과 효율 차이를 보였다.

연구팀은 이에 전자 수송층의 산화주석 나노입자 분산액의 산성도를 조절해 최적의 점도를 확보하고, 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발했다. 개발한 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용한 결과, 면적이 커져도 기존 단위소자 수준에서의 성능과의 차이가 줄어드는 것으로 나타났다. 극한 환경(섭씨 85도, 상대습도 85%)와 실외 자연광 환경에서도 안정적으로 성능을 발휘했다.

연구팀은 페로브스카이트 소재 관련 기업에게 기술 이전을 추진하고 있다.

정의혁 한국에너지공대 교수와 전남중 화학연 박사는 “대면적 페로브스카이트 모듈 연구에서 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혔다”며 “기존 대면적화의 한계를 극복할 기술을 개발해 페로브스카이트 모듈 상용화에 활용하기를 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난 6일자 표지 논문으로 선정됐다.