제작비용이 낮고 효율은 높아 차세대 태양전지의 강력한 후보로 떠오른 ‘페로브스카이트(perovskite) 태양전지’에 높은 내구성까지 추가될 전망이다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 빨라질 것으로 기대되고 있다.
석상일 에너지 및 화학공학부 교수팀이 세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(이하 페로브스카이트 태양전지)’를 만들 수 있는 핵심소재를 개발하고, 저가로 제작하는 기술을 개발해 30일(미국 현지시간)자 사이언스(Science) 저널에 발표했다. 페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 페로브스카이트 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재로 만든 태양전지를 뜻한다. 페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온으로 이뤄진 독특한 결정 구조체다.
페로브스카이트 태양전지는 값싼 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 광전변환 효율이 22%으로 높아 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(~25%)을 낼 수 있는 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있다.
석상일 교수팀은 이전에도 페로브스카이트 태양전지 관련 기술을 선도해왔다. 이번 연구는 이전의 성과(구조, 공정, 신조성 등)을 기반으로 진행됐다.
이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온에서 합성하는 방법을 개발했다. 광안정성은 빛에 오랫동안 노출돼도 재료의 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지되는 성질을 말한다. 이번에 개발한 소재는 자외선을 포함한 태양빛에 1000시간 이상 노출돼도 안정적으로 효율을 유지했다. 광전극 소재의 합성도 기존(900℃ 이상의 고온)보다 훨씬 낮춘 200℃ 이하에서 진행할 수 있어 제작을 한층 수월하게 만들었다.
더 나아가 연속적이며 대량생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(hot-pressing) 공법’을 새롭게 제안했다. 핫 프레싱 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다. 이 기술은 고효율‧고안정성‧저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론이다.
(왼쪽 위) 본 연구에서 제조한 LBSO 분말과 용매에 분산된 용액, 그리고 이를 기판에 코팅한 박막, (오른쪽 위) LBSO 분말의 저온 제조를 위한 CSMC 구조 그림, (왼쪽 아래) 본 연구를 통해 제조한 페로브스카이트 태양전지의 효율, (오른쪽 아래) 1000시간 동안 1 sun에서 연속 광조사 후의 효율 변화. 1000시간 후 약 7%의 효율 저하만 나타났다.
석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합해 제조비용을 기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준으로 낮출 것”이라며 “21% 이상의 높은 광전효율과 뛰어난 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
그는 이어 “국내 연구진의 고유 기술로 이뤄낸 이번 성과는 지난 20여 년간 저가 공정 전략을 내세운 기존 차세대 태양전지 기술의 낮은 효율과 안정성의 한계를 뛰어넘는 결과”라며 “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구는 석상일 UNIST 교수가 주도해 한국화학연구원(1저자: 신성식 박사(現 MIT 박사 후 연구원), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행했다. 연구 지원은 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업을 통해 이뤄졌다.
