재료연, 값싼 재료로 높은 안정성 가지는 친환경 페로브스카이트 태양전지 기술 개발

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 재료연구소(소장 이정환, KIMS) 표면기술연구본부 에너지융합소재연구센터 신종문 박사(박사후 연구원), 송명관 박사 연구팀이 부산대학교 진성호 교수, 울산과학기술원 이준희 교수 연구팀과 함께 인체에 유해한 납과 값비싼 귀금속 전극이 필요 없는 대면적화가 가능한 친환경 비스무스 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공했다.

재료연구소 표면기술연구본부 에너지융합소재연구센터 신종문 박사팀이 개발한 새로운 페로브스카이트 전지는 비납계 비스무스 페로브스카이트 소재의 구조를 조절해 광 흡수도를 향상시킨다. [자료=재료연구소]

페로브스카이트는 사면체, 팔면체 또는 입방체의 결정구조를 가지는 물질이다. 구성 원자에 따라 강유전 특성 및 초전도 현상과 같은 우수한 물리적 특성을 보인다. 태양전지에 응용했을 때 실리콘 태양전지보다 높은 23.3%의 전력 변환 효율을 나타낸다.

하지만 기존 페로브스카이트 태양전지는 광 활성층 물질로 효율이 높은 납을 사용하고 있으며, 태양전지 셀의 상부 전극으로는 값비싼 귀금속 전극을 주로 사용한다. 또한 귀금속 전극은 진공장비를 이용해 증착하여 사용되기 때문에 대면적 증착이 어렵고 증착 속도도 느린 단점이 있다.

뿐만 아니라, 태양전지는 빛을 받아 형성된 정공(+)을 전극으로 이동시켜주는 역할을 하는 홀(정공) 전도체를 사용하는데, 이는 에너지 효율을 높이는데 도움이 되지만 수분이나 산소에 노출되면 쉽게 부식되는 등 낮은 안정성으로 대량 합성이 어렵고 공정이 복잡해 가격이 높은 단점을 가진다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지 물질의 문제점인 유해성과 낮은 안정성 해결, 그리고 나아가 저렴한 재료를 사용해 상업화에 어울리는 태양전지를 제작하는데 주목했다.

이를 위해, 안정성이 떨어지는 홀 전도체 물질을 없애고 광 활성층의 밴드 갭을 줄여 효율을 높였다. 또한 귀금속 전극을 사용하지 않고 상대적으로 가볍고 전도성이 우수한 카본으로 대체해 롤투롤(Roll to Roll), 프린팅 공정 등을 통한 대면적 태양전지 제작을 가능하게 하는 한편, 비스무스 페로브스카이트 소재의 구조 변화를 통해 효율을 향상시키는데 성공했다.

고가의 귀금속 대신 카본 전극을 이용해 제작된 비스무스 페로브스카이트 모듈 사진 [자료=재료연구소]

귀금속 전극은 진공장비를 이용하여 증착해 사용되기 때문에 대면적 증착이 어려울 뿐만아니라 증착 속도도 느리다. 하지만 본 연구에 사용되어진 카본은 페이스트 형태이므로 롤투롤​(Roll to Roll) 또는 프린팅 공정에 용이하다.  

유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 산업은 기존 실리콘 태양전지에 비해 저가격, 가공 용이성, 유연성, 재료의 다양성 등과 같은 독특한 강점을 가진다. 이를 통해 미래의 웨어러블, 프린터블 ​태양전지 등 새로운 용도의 유비쿼터스 태양전지 시대를 선도할 하나의 강력한 대안으로 각광받고 있다.

연구결과는 나노 소재 및 에너지 분야의 세계적인 학술지인 나노 리서치에 표지논문으로 선정됐다. [사진=재료연구소]

이번 기술은 고효율, 고안정성, 저비용 하이브리드 태양전지 개발을 위한 독자적인 기술 개발에 기여할 수 있다는 측면에서 그 의미가 크다.

연구책임자인 재료연구소 송명관 선임연구원은 “본 기술은 낮은 단가에 안정적인 태양전지를 제작할 수 있는 기술로써, 배터리와 같은 에너지 저장장치와 접목해 다양한 이동기기의 전원공급 장치로 사용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 재료연구소의 주요사업과 한국연구재단의 ‘미래소재 디스커버리 사업’의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 나노 소재 및 에너지 분야의 세계적인 학술지인 나노 리서치(Nano Research)에 표지논문으로 선정됐다. 연구팀은 본 기술을 배터리와 접목시켜 에너지 생산뿐만 아니라 저장까지 가능한 에너지 융합연구를 수행 중에 있다.

[최홍식 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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