[인더스트리뉴스 최기창 기자] 한국에너지기술연구원(곽병성 원장) 울산 차세대전지연구개발센터가 울산과학기술원 및 한국광기술원과 공동으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 핵심기술인 첨가제의 작동원리를 이론적으로 밝혀내고 이를 ‘줄(Joule)’에 게재했다. 줄은 셀프레스(Cell press)에서 발행하는 국제 논문집으로 에너지 분야에서 높은 주목을 받고 있다.

페로브스카이트는 유기물질과 무기물질이 결합한 형태로 광 흡수율이 뛰어나고 전자-정공의 수명과 이동 거리가 길어 차세대 고효율 태양전지의 핵심재료로 주목받고 있다. 현재 상용화되고 있는 실리콘 태양전지나 박막태양전지와 비교해 제조 장비와 재료비가 저렴하다. 제조 절차도 간단하다. 현재 세계 최고효율은 24.2%다.

페로브스카이트 태양전지 및 효율 특성 [사진=한국에너지기술연구원]

고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위해서는 균일한 두께의 박막으로 결정성이 우수하고 결정 크기가 큰 페로브스카이트 박막을 제조하는 것이 핵심이다. 첨가제를 사용해 고효율을 구현하는 연구 결과들은 많이 있었지만 그 원인을 명확하게 알 수는 없었다.

균일하면서도 전기화학적 특성이 우수한 박막을 만들기는 순수 페로브스카이트 용액으로만 구현하는 것이 어렵다. 그동안 여러 가지 첨가제를 함께 섞어 제조했을 때 물성이 우수한 박막을 제조하는 것으로 알려져 있었다.

한국에너지기술연구원은 이번 연구를 통해 페로브스카이트 박막을 구현하는 데 있어 용액공정단계에서 염화메틸암모늄을 첨가했을 때보다 결정성이 3배 커지고, 결정 크기가 6배 향상됐음을 확인했다. 발광(photoluminescence) 수명도 4배 이상 향상되는 등 전기화학적 성질이 기존 대비 3~4배 좋아진다는 것과 24% 이상의 효율성 구현 결과도 함께 얻었다. 고효율 페로브스카이트 박막에 대한 이론적인 분석에 성공한 것이다.

염화메틸암모늄을 첨가하면, 염소(Cl)이온이 기존 요드(I) 이온보다 크기가 작은 탓에 메탈 금속에 강하게 결합돼 체심입방구조(Cubic Structure)가 먼저 형성된다는 사실을 밝혀냈다. 소성하지 않은 상태에서도 불순물이 없는 안정한 구조를 형성하는 것이다.

또한 소성 과정에서 염소이온은 날아가고 체심입방구조는 더욱 견고해진다. 결국 결정성이 기존 대비 3배 이상 향상되며 결정 크기도 5배 이상 커진다. 저효율의 원인이었던 전자와 정공의 재결합(Recombination)을 크게 줄일 수 있다는 것을 확인한 것이다. 더불어 양이온으로 치환되는 메틸암모늄의 양이 0.4배 몰비 영역에서 형성에너지(formation Energy)가 가장 낮게 조성된다는 것도 알아냈다. 고효율 구현을 위해 염화메틸암모늄의 농도를 0.4배 몰비로 첨가하는 것이 가장 적절한 셈이다.

연구 논문의 교신저자인 한국에너지기술연구원 김동석 책임연구원은 “이번에 발표된 논문은 첨가제를 활용해 세계최고 수준의 페로브스카이트 태양전지를 구현하고 이를 이론적으로 밝혀냈다는데 의의가 크다”며, “향후 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현함에 있어 이론적인 뒷받침이 될 것”이라고 했다.

공동 교신저자인 울산과학기술원 김진영, 곽상규 교수는 “그동안 알려지지 않는 고효율 페로브스카이트 태양전지가 왜 형성되는지 그 이유를 밝히는 중요한 연구 결과로 향후 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 구현에 큰 도움이 될 것“이라고 말했다.

[최기창 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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