페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 결정성 반도체를 박막으로 코팅해 제조한다. 따라서 내부 결함이 적도록 박막의 결정화 거동을 제어하는 것이 고효율화에 매우 중요하다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 석상일 특훈교수팀은 ‘페로브스카이트 광활성층 반도체의 결정성을 제어하는 새로운 방법과 원리’를 발견해 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다. 이 원리를 페로브스카이트 태양전지의 제조에 활용해 세계 최고의 효율인 26.08%를 달성했고, 미국 재생에너지연구소 (National Renewable Energy Laboratory)에서도 세계 최고 효율 (25.73%)로 공인했다. 이번 성과는 세계 최고 권위지인 ‘네이쳐 (Nature, Impact Factor: 69.504)’ 2월 16일(현지시각)자, AAP(Accelerated Article Preview)로 공개됐다.
페로브스카이트 태양전지의 고효율화에는 페로브스카이트 박막의 결정 속에 결함(defects)을 극도로 낮게 제어하는 것이 매우 중요하다. 이러한 결함은 태양전지의 장기 안정성에도 큰 영향을 미친다. 박막의 생성 과정 제어와 이 과정의 원리에 대한 이해는 높은 효율과 장기 안정성을 동시에 만족하는 핵심적인 요소 기술이다.
석상일 교수는 “페로브스카이트 구성 성분과 결합하면서 결정화가 이뤄지는 단계에서 탈양자화가 일어나는 알킬암모늄 클로라이드을 사용했는데, 이런 최적의 조합이 이번 연구 결과의 핵심이다”며 “또한 알칼기(Alkyl)와의 조합을 통해 페로브스카이트 전구체 용액의 코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발되는 속도를 최적으로 제어할 수 있었다. 이 조합을 통해 박막의 표면을 극도로 평탄하게 하면서 치밀하고, 결정의 내부 결함을 최소로 하는 결정성이 매우 우수한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다”고 설명했다.
그림1. 첨가된 알킬암모늄 클로라이드의 종류에 따라 제어된 페로브스카이트 박막의 결정화 거동
이번 논문의 공동교신저자인 신태주 UNIST 반도체 소재ㆍ부품 대학원 교수는 “이번 연구는 할라이드 음이온을 가진 페로브스카이트의 결정화 과정을 포항가속기연구소의 UNIST-PAL 빔라인을 통해 실시간으로 관찰하며 그 원리를 밝히고 정리한 매우 뜻깊은 연구”라며 “향후 다양한 조성을 가진 결정성이 높은 페로브스카이트 박막의 제조에도 확장이 가능할 것”이라고 기대했다.
석상일 교수는 또한 “본 연구를 통해 26% 이상의 효율을 가지는 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지가 가진 효율을 조만간 능가할 수 있을 것”이라며 “본 연구는 27% 이상의 효율을 달성하기 위한 여정의 출발점”이라고 그 의미를 강조했다.
그림2. 제어된 결정화로 제조된 페로브스카이트 태양전지의 특성
이번 연구는 UNIST의 박재왕 연구원과 김종범 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다.
한편 페로브스카이트 태양전지는 얇고 가볍고 유연하며, 용액공정으로 값싸게 만들 수 있는 차세대 태양전지다. 페로브스카이트는 전하(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 사용된다.
석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지의 20% 효율을 처음 넘겼으며 세계 최고의 공인 효율 기록을 보유하고 있다. 특히, 페로브스카이트 이종접합 n-i-p 태양전지 구조를 세계 처음으로 발표했고, 지금도 25% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지는 모두 이 구조를 갖는다. 그는 학문적인 우수성도 인증받아 세계 최고 권위의 저널(journal)인 네이쳐와 사이언스(Science)에만 이번까지 10편의 논문을 보고했다. 2022년에는 영국 랭크 재단에서 수여하는 저명한 과학상인 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics)을 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로를 인정받아 공동 수상자로 선정됐다.
