^* 태양전지 소재별 특징 및 광전변환 효율 비교

• 실리콘 단결정계 태양전지: 광석에서 고순도의 태양전지용 실리콘을 제조하는 데 대규모 투자와 많은 에너지가 필요해 제조비용이 비싸다. (현재 최고효율: 약 25%)
• 유기태양전지: 화학합성과 인쇄공정을 적용할 수 있어 저가로 제조가 가능하지만, 효율과 광안정성이 낮다는 게 단점이다. (현재 최고효율: 약 12%)
• 염료감응태양전지: 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질을 사용하므로 장기적으로 사용하기에는 안정성 문제가 있다. (현재 최고효율: 약 13%)
• 페로브스카이트 태양전지: 무기물과 유기물이 혼합된 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 이용한 태양전지로 효율이 높고, 제조비용이 저렴하다. (현재 최고효율: 약 22%)

^*연구진의 이전 연구성과

• 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 구조 기술(Nature Photonics ‘13.5)
• 매우 균일하고 치밀한 페로브스카이트 박막 제조 신규 용액 공정 기술(Nature Materials ‘14.7)
• 고효율을 위한 페로브스카이트 결정상 안정화 신조성 개발(Nature ‘15.1)
• 고품질 페로브스카이트 박막 형성을 위한 신규 공정 기술 개발(Science ‘15.6) 등

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 현재 태양전지의 약 90% 이상을 차지하고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 반면 낮은 가격으로 제작 가능해 많은 연구가 진행됐던 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 기존의 차세대 태양전지들은 여전히 효율이 낮아 대규모로 상용화하는 데 어려움을 겪고 있다.

2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 ‘무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’는 짧은 연구 역사에도 불구하고 기존의 유기 및 염료 감응태양전지의 효율을 뛰어넘고 있다. 본 연구에서는 본 연구 그룹에서 2013년 Nature Photonics지에 보고한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플렛폼 구조 기술과 2014년 Nature Materials지에 보고한 극도로 균일한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 용액 공정 기술, 2015년 Nature 및 Science 지에 보고한 고효율 페로브스카이트 태양전지 제조기술을 기반으로 하고 있다.

본 연구에서는 기존의 고효율을 위한 연구에 더해 고내구성을 만족하고자, 기존에 사용해왔던 광전극 소재를 “La-doped BaSnO₃(BLSO)”로 대체했다. 이로써 고효율과 고내구성을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있었다. 참고로 BLSO는 란타넘(La) 원자가 바륨주석산화물(BaSnO₃)의 바륨(Ba)를 일부 치환한 반도체 산화물 소재를 말한다.

2. 연구내용

본 연구에서 신규 설계한 “La-doped BaSnO₃(BLSO)”는 우수한 특성을 가질 수 있는 물질로 기존에도 알려져 있었다. 하지만 통상의 방법으로는 BLSO를 페로브스카이트 태양전지 제조에 적용할 수 없었다. BLSO가 900℃ 이상의 고온에서 제조 가능하고, 비교적 저온에서 이 물질을 합성한다고 해도 광전극으로 사용할 만큼 분산성을 가진 균일 박막 제조가 불가능했기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 소위 Crystalline Superoxide-Molecular Cluster(CSMC)라는 매우 독특한 중간상을 합성했고, 이것을 전극으로 코팅한 후 500℃ 이하에서 열처리하는 방법으로 광전극을 만들었다. CSMC는 보통 한 개의 산소 이온으로 이뤄진 음이온과 달리 두 개의 산소로 이뤄진 음이온이 결정을 이루는 데 참여한 형태를 뜻한다. 중간상은 최종 결정상이 되기 전 중간 단계의 결정상을 뜻한다. 

상기 그림에서 볼 수 있듯 이번 연구를 통해 개발된 방법은 대량으로 나노입자의 제조가 가능하면서 유기용매에서 분산성이 매우 우수하다. 이 용액을 기판에 코팅한 코팅막의 경우 매우 치밀하고 균일한 박막으로 제조가 가능하며, 또한 효율도 MA(Methylammonium)PbI₃ 페로스카이트를 사용해 제조한 태양전지 중에서는 전 세계에서 가장 높은 효율을 기록하면서, 자외선을 포함한 전체 태양광을 조사한 상태에서 1000시간 동안 단지 6.7%만 효율 감소가 일어나 광안전성에서 세계 최고의 결과를 도출했다는 것을 알 수 있다.

3. 기대효과

이번 연구는 저온에서 제조할 수 있으며, 고안정성과 고효율을 만족할 수 있는 핵심 광전극 소재에 대한 제조방법과 저가 대응이 가능한 핫-프레싱 공법을 융합한 결과다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 조기 상용화를 위한 기반기술로 활용이 기대된다. 또한 3개 이상의 성분으로 구성된(다성분계) 산화물 결정체를 용액상의 저온에서 합성되는 경로와 원리를 규명해 이 분야의 학문 발전에도 큰 할용이 기대되고 있다.

[붙임] 연구 이야기

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

효율 21%이상, 광안정성 1000시간 이상을 만족하는 새로운 광전극 소재와 이를 활용해 라미네이션 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했습니다.

□ 어디에 쓸 수 있나?

고효율이며 저가격인 태양전지 제조에 활용될 수 있으며, 향후 대면적이며 연속 제조공정을 위한 상용화 기술과 결합해 화석연료와 경쟁력 있는 신재생 에너지 기술에도 다양하게 활용 가능합니다.

□ 연구를 시작한 계기는?

효율과 내구성을 모두 만족하는 새로운 광전극 소재의 개발과 저가의 페로스카이트 제조 방법이 필요했습니다.

□ 실용화를 위한 과제는?

대면적이며 연속으로 제조(넓은 면적에 대량으로 생산)할 수 있는 상용화 공정 개발이 추가로 필요합니다.

□ 산업적, 경제적 파급효과는?

신기후변화 경제 체제로의 전환에 꼭 필요한 미래 태양전지 기술로 상용화를 위한 기술 성숙이 된다면 큰 파급효과가 기대됩니다.

□ 신진연구자를 위한 한마디

기존 기술과 새로운 기술을 접목할 수 있는 유연하고 창의성 있는 사고가 세상을 바꿀 수 있는 길을 열 수 있다고 봅니다.

[붙임] 용어설명

1. 사이언스 (Science)지

○ 미국에서 발행되는 세계 최고의 권위와 높은 영향력 지수를 가진 융합기술 분야 전문 학술지.(2015년도 SCI 피인용지수: 34.661)

2. 페로브스카이트(perovskite)

○ 천연광물인 CaTiO₃와 같은 결정구조를 갖고 있는 AMX₃화합물에 대해 러시아 과학자인 페로브스키의 이름을 따서 페로브스카이트 화합물이라고 부름. 여기서 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물(halide) 또는 산화물(oxide)을 포함하는 음이온.

○ AMX₃구조는 정육면체 단위격자의 꼭짓점에 크기가 큰 양이온(A)이 있고(8×1/8) 가운데 크기가 A에 비해 상대적으로 작은 양이온(M)이, 각 면 중앙에 음이온(X)이 존재하는(6×1/2) 구조. 페로브스카이트는 A와 B, X에 어떤 원자(또는 작용기) 가 있느냐에 따라 수백 가지 종류가 알려져 있다. 압전, 유전 등 다양한 특성을 가지고 있기에 산업적으로도 널리 활용되고 있는 물질임.

○ 본 연구에서의 페로브스카이트는 A자리에 유기물인 Methylammonium이 위치하고 M 자리에 lead, X자리에 halide 가 자리 잡은 무기물과 유기물이 화학적으로 결합된 화합물임.

3. 핫-프레싱 공법

○ 온도와 압력을 가하여 두 물체를 단단히 점착 시키는 방법.

4. 이종접합

○ 같은 소재간의 접합인 동종 접합과 달리 다른 종류의 소재간의 접합을 의미, 페로브스카이트는 무기물, 유기물, 무/유기 혼성물 간의 이종접합을 이룸.