'효율 한계' 극복한 주석 페로브스카이트 태양전지 나왔다

한국화학연구원 화학소재연구본부

새로운 음극 중간층(PDINN)을 도입해 주석 페로브스카이트 태양전지의 성능을 높였다. /사진=화학연

국내 연구팀이 주석 기반 페로브스카이트 태양전지에 중간층과 첨가물을 넣어 전기에너지 변환 효율을 기존 11%대에서 14%까지 올리고, 1300시간 동안 성능을 유지하는 기술을 개발했다.

한국화학연구원(이하 화학연)은 송창은 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 임상혁 고려대 교수·정재기 성균관대 교수·엘리야 아이 케냐 나이로비대 교수 연구팀과 함께 페로브스카이트 태양전지에 중간층을 넣거나 첨가제를 넣어 안정성을 개선하는 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'에 표지 논문으로 선정됐다.

태양전지는 태양의 빛에너지를 전기로 바꿔주는 장치다. 1세대 태양전지는 실리콘 태양전지지만, 최근 공정이 비교적 단순해 생산 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 페로브스카이트 태양전지가 대세로 떠올랐다. 페로브스카이트는 특정한 구조를 가진 물질을 모두 포함하는 용어인데, 특히 납이나 주석으로 만든 페로브스카이트 구조 결정에서 빛을 전기를 바꾸는 특성이 우수하게 나타난다.

두 재료 중 납은 효율이 높지만, 독성으로 인한 잠재적 위험성이 있다는 한계가, 주석은 무독성이어서 친환경적이지만 효율이 낮다는 한계가 있다. 특히 주석의 경우 주석 이온(할로겐 및 금속 이온)이 공기 중 산소와 만나 쉽게 산화된다는 결정적인 단점이 있다. 산화로 인해 결함이 생기면 전하가 제대로 이동하지 못하고 결국 전기 변환 효율을 떨어트리는 원인이 된다. 이때문에 주석 페로브스카이트 R&D(연구·개발)에선 전하 이동성을 높이거나 결함 감소용 첨가제를 넣는 연구가 이어지고 있다.

연구팀은 주석 페로브스카이트의 효율과 안정성을 모두 높이기 위한 연구를 진행, 관련 논문을 2개 연속으로 발표했다.

ErCl3(어븀 염화물) 첨가제를 도입해 주석 페로브스카이트 결정성을 조절했다. /사진=화학연

2월 발표한 논문에선 태양전지 전극과 전자 수송층 사이에 '페릴렌 디이미드' 소재로 만든 중간층을 넣었다. 중간층이 할로겐 및 금속 이온의 이동을 막아준데다, 구리 전극과 전자 수송층 간 생긴 에너지 격차를 줄여줘 전자 이동도 원활해졌다.

10월 논문에선 2월 논문 기술과 함께, 페로브스카이트 필름층에 '어븀 염화물'도 첨가했다. 첨가제는 주석이 산화하는 것을 막고 액체 상태의 페로브스카이트가 필름으로 굳는 과정에서 균일하며 큰 결정을 만들 수 있도록 돕는다. 결정의 크기가 크고 균일하면 전자 이동이 원활해진다.

기술 평가 결과, 2월 논문에선 광-전 변환 효율이 13.05%를 기록했다. 1000시간 후에도 초기 성능의 80%를 유지해 높은 안정성을 보였다. 10월 논문에선 효율 14%를 달성했다. 1300시간 후에도 80% 상태를 유지해 거듭 성능을 높였다.

연구팀은 "이번 성과는 류두현 박사과정생(화학연·고려대)이 주도적으로 수행한 결과"라 언급하면서 "주석 기반 페로브스카이트 태양 전지의 전환점이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다. 또 "상용화를 위해선 대규모 생산 시에도 성능이 유지되는지, 고온·습기·자외선 등 외부 환경에도 장기적으로 안정적인지 등을 검증해야 할 것"이라고 했다.

한편 이번 연구는 화학연 기본사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구사업 및 국가과학기술연구회 글로벌 공동연구 촉진사업의 지원을 받아 수행됐다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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