[솔라투데이 박관희 기자] 광주과학기술원 이광희 교수 연구팀이 차세대 신재생에너지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다. 화석 연료의 고갈과 환경 문제로 인해 무한한 청정에너지원인 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 페로브스카이트 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있고,  효율도 실리콘 태양전지와 비슷해 차세대 신재생 에너지원으로 각광 받고 있다.

H페로브스카이트 박막 필름 모폴로지에 대한 계면 상용화제의 역할[사진=미래창조과학부]

최근 페로브스카이트 태양전지는 22% 이상의 효율을 달성하면서 상용화에 바짝 다가갔다. 
다만 아직까지 소자의 면적이 너무 작아 발전용도로 충분한 에너지를 낼 수 없는 문제가 있고, 페로브스카이트 태양전지를 실생활에 적용 및 상업화하기 위해서는 고효율을 유지하면서 대면적화 시키는 기술이 필요했다. 페로브스카이트는 ABX3(A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 화학조성으로 구성된 결정 구조를 갖는 신소재이고, 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지이다.

쉽게 만들 수 있으면서도 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점 때문에 페로브스카이트 태양전지는 전 세계에서 연구개발이 이어지고 있다. 유·무기 하이브리드 페로브스카이트는 이온성 물질이다. 용액 공정으로 박막 제조 시 강한 이온 상호작용으로 인해 급격한 결정화 현상을 보인다. 이로 인해 치밀하고 균질한 박막을 제조하기 어렵다는 문제가 있다. 특히 강한 친수성을 보이는 전구체 용액을 소수성의 유기전하수송층 위에 도포 시 젖음성이 매우 좋지 않다. 용액공정 시 대부분의 용액이 강한 반발력으로 인해 튕겨져 나가버리게 되고 형성된 필름이 표면을 제대로 덮지 못하는 문제가 발생하게 된다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 대면적화에 있어 큰 걸림돌이었다.

H페로브스카이트 필름 및 태양전지 사진과 성능[사진=미래창조과학부]

양친성 소재 이용, 대면적 안정적 효율 확인
이광희 교수 연구팀은 태양전지를 제작하는 과정에서 페로브스카이트 필름 형성 시 핀홀 등의 결함이 발생해 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 양친성 소재를 이용해 해결했다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 면적이 증가함에 따라 효율이 급격하게 감소하는데 반해 계면 상용화제를 도입한 페로브스카이트 태양전지는 대면적에서도 소면적의 태양전지와 거의 성능차이를 보이지 않음을 확인했다. 연구팀은 큰 효율 저하 없이 기존 1cm2의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 제작하는데 성공했다.

상용화 다가선 페로브스카이트 태양전지
이 교수팀의 이번 연구는 넓은 면적에서의 페로브스카이트 박막 제작에 있어 중요한 방법을 제시했다고 평가된다. 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, 저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하게 된 것이다. 나아가 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 BIPV에 적용가능하고 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다. 

[박관희 기자 (editor@infothe.com)]

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