메뉴바로가기본문바로가기

동아사이언스

페로브스카이트 태양전지 세계적 수준 효율 내는 새 방법은 ‘박막’ 기술

통합검색

페로브스카이트 태양전지 세계적 수준 효율 내는 새 방법은 ‘박막’ 기술

2019.03.28 03:00
페로브스카이트 태양전지.위키미디어 제공.
페로브스카이트 태양전지.위키미디어 제공.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고 효율을 기록한 데 이어 이번에는 이를 유지할 새로운 기술을 개발했다. 


서장원 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 신개념 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 박막기술 ‘DHA(이중층 할로겐화물)’ 개발에 성공했다고 국제학술지 ‘네이처’ 28일자(현지시간)에 발표했다. 

 

연구팀은 2017년 10월 당시 페로브스카이트 태양전지 세계 최고 효율인 22.7%를 달성해 미국 공인인증기관 미국신재생에너지연구소(NREL)로부터 인증 등재해 주목받았다. 지난해 중국과학원(CAS) 연구진이 23.7% 효율을 달성했다고 밝히며 서장원 박사 연구팀의 연구결과가 세계 최고 효율에서 한발 물러섰지만 페로브스카이트 태양전지 고효율화 기술을 선도하고 있다는 평가를 받는다. 

 

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 제조하기가 쉽고 제작원가는 평균 5배 가량 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다. 

 

페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 아직 걸림돌이 많다. 기존 정공수송소재가 가격이 비싸다는 단점이 해결돼야 한다. 또 대면적 태양광 모듈을 만들 때 일정하고 균일한 소자 성능을 확보해야 하는데 기존 정공수송소재로는 한계가 있다. 

 

페로브스카이트 소재에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’ 활용을 극대화하는 방식으로 태양광을 전기에너지로 바꾸는 광전 효율을 높였다. 

 

연구진은 정공수송소재로 전도성 상용 고분자 ‘P3HT’에 주목했다. 이 고분자 물질은 이미 유기 태양전지와 유기 트랜지스터에 활용된다. 페로브스카이트 태양전지에 활용하려는 시도가 있었지만 단위소자 기준 광전효율이 16%에 그쳤다. 

 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시키는 DHA라는 새로운 박막기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 결과 페로브스카이트의 물리적, 전기적 특성이 향상되고 정공수송 효과가 극적으로 높아졌다. 

 

또 기존 정공수송소재는 정공수송 능력을 높이기 위해 친수성 첨가제가 필수였다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적인 문제를 야기했다. 페로브스카이트가 수분에 취약하기 때문이다. 연구진은 P3HT 고분자 특성을 활용해 이같은 문제를 해결했다. 

 

연구팀은 이번 연구에서 상용화에 필수 조건인 대면적 모듈 제조 가능성도 확인했다. 0.1㎠ 크기의 단위소자에서 확인한 성능을 25㎠ 크기인 대면적 모듈에 동일하게 적용한 결과 세계적 수준의 광전 효율인 16%를 기록했다. 지금까지 페로브스카이트 태양전지 모듈의 세계 최고 효율은 17㎠ 크기 모듈에서 17.2% 효율이다. 

 

서 책임연구원은 “단위 소자에서 구현됐던 광전 효율이 대면적 모듈로 제작됐을 때 떨어지는 것은 모듈을 만들 때 여러 설계 요소들이 결합되기 때문”이라며 “앞으로 대면적 모듈에서 효율 20% 이상 높이는 게 목표”라고 말했다. 기존 실리콘 태양전지의 광전 효율은 약 26% 수준으로 대면적 모듈로 제작했을 때 효율은 약 16~19% 정도 수준이다. 

 

서 책임연구원은 “최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하다고 본다”며 “앞선 기술력으로 상용화하는 데 노력할 것”이라고 말했다. 

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

11 + 4 = 새로고침
###
    과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기

    관련 태그 뉴스