태양전지에 높은 내구성 추가 가능

고효율(21.2%)과 고안정성(1,000시간 유지)을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지용 핵심 소재 및 저비용 제조 기술이 개발돼 화제다. 이로써 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가할 수 있어 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다. 

세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지1’를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술이 개발됐다. 이 연구 결과로 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가할 수 있어 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다. 

울산과학기술원(석상일 교수, 한국화학연구원 학연교수 겸임)이 주도하고 한국화학연구원(1저자: 신성식 박사(現 MIT 포스닥), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업지원으로 수행되었다.

무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조 가능할 뿐만 아니라 높은 광전 변환효율(22% 이상)을 보여 기존의 실리콘 단결정계 태양전지 수준(~25%)의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 큰 주목을 받고 있다.

이번 연구에서는 이전 연구 성과(구조, 공정, 신조성 기술)를 기반으로 이종접합3 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성(자외선 포함한 광조사에서 1,000시간 이상 안정한 효율 유지)을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온(기존 900℃ 이상 고온 → 200℃ 이하)에서 합성하는 방법을 개발하였다.

나아가 연속적이며 대량 생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(hot-pressing) 공법4’을 새롭게 제안하여 고효율·고안정성·저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론을 제안하였다.

석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합하여 낮은 제조비용(기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준)이 기대되면서 고효율(21% 이상)과 높은 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현”했다는 데 큰 의미가 있다고 언급하였다.

이번 연구 성과는 전 세계적으로 지난 20여 년간 저가 공정을 전략으로 내세운 기존의 차세대 태양전지 기술이 가진 낮은 효율 한계와 낮은 안정성을 뛰어 넘는 결과로서 국내 연구진의 고유 기술로 이루어진 성과로 큰 의미가 있다. 향후, “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.

--------------------------------

1 ‌무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 : 값싼 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트2 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재를 이용하여 제조한 태양전지

2 ‌페로브스카이트(perovskite) : AMX3(A와 M은 양이온, X는 음이온) 화학식을 갖는 결정구조체로 A 양이온이 유기물을 사용할 경우 우수한 태양전지 특성을 가진 물질이 된다.

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

4 ‌핫-프레싱 공법 : 온도와 압력을 가하여 두 물체를 단단히 점착시키는 방법

--------------------------------

무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 제조 소개 및 기술이란

세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술이 개발됐다. 이 연구 결과로 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가 가능하여 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다. 

연구 배경

태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 

그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요하여 가격이 고가인 문제점이 있으며, 낮은 가격으로 제작 가능하여 많은 연구가 진행되었던 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 기존의 차세대 태양전지들은 여전히 효율이 낮아 대규모 상용화에 어려움을 가지고 있다. 

2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 역사에도 불구하고 기존의 유기 및 염료감응 태양전지의 효율을 넘고 있다. 

본 연구에서는 본 연구 그룹에서 2013년 Nature Photonics지에 보고한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 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 더하여 고내구성을 만족하고자, 기존에 사용하여 왔던 광전극 소재를 ‘La-doped BaSnO3 (LBSO)*’로 대체함으로써 고효율과 고내구성을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있었다.

연구 내용

본 연구에서 신규 설계한 ‘La-doped BaSnO3’는 기존의 광반도체에 비하여 우수한 전기적 특성을 가질 수 있는 물질로 기존에 알려져 있었지만, 통상의 방법으로는 LBSO를 페로브스카이트 태양전지 제조에 적용할 수 없었다. 

이유는 900℃ 이상의 고온에서 LBSO가 제조될 수 있거나, 비교적 저온에서 합성하여도 광전극으로 사용할 수 있을 정도 수준(수백 나노미터 두께의 균일한 막)으로 분산성과 균일 박막 제조가 불가능하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 소위 crystalline superoxide-molecular cluster(CSMC*)라는 매우 독특한 중간상*을 합성하였고, 이것을 전극으로 코팅한 후 500℃ 이하에서 열처리하는 방법으로 광전극을 제조하였다.

<그림 1>에서 보는 바와 같이 본 연구를 통하여 개발된 방법은 대량으로 나노입자의 제조가 가능하면서 유기용매에 분산성이 매우 우수하다. 

▲ 그림 1. (上, 左) 본 연구에서 제조한 LBSO 분말과 용매에 분산된 용액 및

이것을 기판에 코팅한 박막

(上, 右) LBSO 분말의 저온 제조 를위한crystalline superoxidemolecular

cluster (CSMC)에 대한 구조 그림

(下, 左) 본 연구를 통하여 제조한 페로브스카이트 태양전지의 효율_21.2%

(下, 右) 1000시간 동안 1sun에서 연속 광조사 후의 효율 변화_1,000

시간 후 약 6.7%의 효율 저하만 있음

이 용액을 기판에 코팅한 코팅막의 경우 매우 치밀하고 균일한 박막으로 제조가 가능하며, 또한 효율도 MA(Methylammonium)PbI3 페로스카이트를 사용하여 제조한 태양전지 중에서는 전 세계에서 가장 높은 효율을 기록(기존 20% → 개선 21%)하면서, 자외선을 포함한 전체 태양광을 조사한 상태에서 1,000시간 동안 단지 6.7%만 효율 감소가 일어나 광안전성에서 세계 최고의 결과를 도출(기존에는 50% 이상 감소)했음을 알 수 있다.

기대 효과

이번 연구는 저온에서 제조할 수 있으며 고안정성과 고효율을 만족할 수 있는 핵심 광전극 소재에 대한 제조 방법과 저비용으로 제작이 가능한 핫-프레싱 공정을 융합한 결과로서, 페로브스카이트 태양전지의 조기 상용화를 위한 기반기술로 활용이 기대된다.

또한 다성분계*로 구성된 산화물 결정체를 용액상의 저온에서 합성되는 경로와 원리를 규명하여 이 분야의 학문 발전에도 큰 할용이 기대되고 있다. 

--------------------------------

* ‌La-doped BaSnO3 (LBSO) : La 원자가 BaSnO3 산화물의 Ba를 일부 치환한 반도체 산화물 소재

*‌crystalline superoxide-molecular cluster (CSMC) : 보통 한 개의 산소 이온으로 이루어진 음이온과 달리 두 개의 산소로 이루어진 음이온이 결정에 참여한 형태

* 중간상: 최종 결정상으로 되기 전의 중간 단계의 결정상

* 다성분계 : 3개 이상의 성분으로 구성된 시스템

--------------------------------

김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)