UNIST 연구진이 고효율 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 대량생산 가능성을 높이는 계면 코팅 물질을 개발했다.
UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수와 신소재공학과 최경진 교수 공동연구팀이 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대학(KAUST) 연구팀과 함께 3성분 물질을 이용한 전지 계면 코팅 물질을 개발했다고 11일 밝혔다.
이번 물질을 적용하면 수분과 산소에 노출되는 일반 대기 공정에서도 효율 30%를 넘는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지를 만들 수 있다. 연구 성과는 광학·광자공학 분야 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 6월 1일 공개됐다.
페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 페로브스카이트 전지와 실리콘 전지를 위아래로 쌓은 초고효율 전지다. 위쪽 페로브스카이트 전지가 짧은 파장의 태양빛을 먼저 흡수하고, 아래쪽 실리콘 전지가 남은 빛을 흡수해 기존 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 낼 수 있다.
다만 페로브스카이트 소재는 수분과 산소에 취약하다. 기존 고효율 전지는 수분과 산소를 차단한 특수 설비 안에서 제작해야 했고, 이는 대면적 생산 비용을 높이는 요인으로 지적돼 왔다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트층을 올리기 전 전극 표면에 깔리는 얇은 접촉층을 새로 설계했다. 이 접촉층이 고르게 형성돼야 그 위에 바르는 페로브스카이트 용액도 균일하게 퍼지고, 전하가 사라지는 결함도 줄어든다.
연구팀이 개발한 3성분 물질은 기존 자기조립단분자막(SAM) 물질인 Me-4PACz에 GDMA와 AG를 더한 구조다. GDMA는 코팅층이 전극 위에 고르게 퍼지고 열처리 뒤 단단히 붙도록 돕는다. AG는 페로브스카이트와 맞닿는 계면의 결함을 줄이는 역할을 한다.
계면 결함이 줄어들면 빛을 받아 생성된 전하가 중간에 소실되지 않고 전극으로 더 잘 이동한다. 그 결과 태양전지의 효율과 전압이 높아진다.
연구팀은 이 물질을 적용해 일반 대기 중에서 제작한 탠덤 전지에서 31.72%의 효율을 구현했다. 이는 대기 중 제조 페로브스카이트·실리콘 탠덤 전지 가운데 세계 최고 효율이다. 공인 인증 효율도 31.36%로 확인됐다.
내구성도 개선됐다. 보호 포장 없이 85도 고온 공기 중에 600시간 방치한 뒤에도 초기 성능의 92% 이상을 유지했다. 실제 태양광을 모사한 강한 빛을 1000시간 연속 조사한 후에도 90% 이상의 효율을 유지했다.
이번 물질은 페로브스카이트 전지 단독 제작에도 적용할 수 있다. 연구팀은 7×7㎠ 대면적 기판에서도 페로브스카이트 박막이 균일하게 형성되고 불량률이 낮아지는 것을 확인했다.
최경진 UNIST 교수는 “정부의 K-문샷 프로젝트 목표인 초격차 초고효율 다중접합 태양전지 개발과 궤를 같이하는 연구”라며 “차세대 태양광 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
석상일 UNIST 특훈교수는 “고효율 탠덤 태양전지를 상용화하려면 성능뿐 아니라 실제 공정에서의 재현성과 생산 비용까지 함께 해결해야 한다”며 “이번 연구는 수분이 있는 일반 대기 중에서도 균일한 계면 박막과 높은 재현성을 확보할 수 있음을 보인 만큼, 대면적 제조 공정으로 확장하는 데 필요한 기술적 기반이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구에는 UNIST 김귀수 연구원, KAUST 아디 프라세티오 연구원, UNIST 노영임 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 석상일 특훈교수, 최경진 교수, KAUST 스테판 드 울프 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 홍콩중문대 선전캠퍼스와 독일 율리히 연구소 연구진도 함께했다.
헬로티 이동재 기자 |
