차세대 태양전지 페로브스카이트 태양전지 상용화

전기 변환 효율을 22.7%까지 높여
장기 구동 안정성 확보

  • 기사입력 2019.03.29 23:20
  • 기자명 공성종 기자
페로브스카이트 태양전지(사진=네이버 블로그 갈무리)
페로브스카이트 태양전지(사진=네이버 블로그 갈무리)

한국화학연구원(원장 김성수)은 28일 서장원 화학소재연구본부 박사팀이 지난 2017년 10월 NREL 차트에 22.7%의 인증 효율을 등재하고, 상용화에 전환점이 될 기술을 적용해 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 함께 달성할 수 있는 연구결과를 발표했다고 밝혔다.

이는 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화한 것이다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 보다 제조가 쉽고, 제작원가가 평균 5배 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개되기도 했다.

그런데 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서는 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제가 필요한하고, 안정성도 취약했다. 기존 정공수송소재로는 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재 대량생산과 일정·균일한 성능 확보를 함께 달성하기 어려웠다.

이에 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(Double-layered Halide Architecture : 이중층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. 빛에 의해 활성화되는 광활성층인 페로브스카이트 박막표면과 P3HT 사이에 HTAB 분자를 도입해 DHA를 만든 것이다.

그 결과, 새로 형성된 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적·전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립을 바탕으로 정공수송효과가 극적으로 높아졌다.

한편 기존 정공수송소재는 정공수송능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 일으켰다. 그러나 다행히도 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해, 이 같은 문제를 해결했다.

또한 연구진이 개발한 기술은 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다. 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1,000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했으며 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1,300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95%이상의 성능을 유지했다. 0.1㎠ 크기에서 확인한 기술을 25㎠ 크기의 대면적 모듈에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준의 고효율인 16%를 기록했다.

이에 대해 서장원 화학연 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다.”면서 “페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상을 기대하며, 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다.”고 말했다.

또한 공동교신저자로 참여한 노준홍 고려대 건축사회환경공학부 교수는 “페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성 측면에서 가능성이 확인됐으나 어떠한 기술로 이를 구현할지가 상용화의 관건이었다.”면서 “이번 연구는 상용화에 근접한 새로운 기술로 구현했다는데 의미가 있다.”고 밝혔다.

아울러 수분에 취약한 페로브스카이트의 약점을 보완하고 장시간 사용해도 고효율을 유지할 수 있는 이번 연구 결과는 28일자 네이처지에 실렸다.

환경경찰뉴스 공성종 기자

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