- 세계최고 효율의 대면적 페로브스카이트 태양전지 기술로 상용화 교두보 확보

- 최고 권위 학술지 ‘Science‘紙 1월 21일자 온라인 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’)은 그동안 상용화의 걸림돌로 여겨져 왔던 대면적 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이중구조 전자수송층 제조 기술을 개발해 1월 21일 과학분야 세계 최고권위 학술지인 ‘사이언스’紙(Science, IF 47.728)’에 게재했다고 밝혔다.

□ 페로브스카이트 태양전지는 용액공정으로 값싸고 손쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있어 세계적으로 현재 가장 많이 연구되고 있는 분야다. 국내에서 25.7%의 세계기록과 최고기술을 보유하고 있지만 이는 0.1 cm² 이하인 소면적 셀이며, 대면적(200cm² 이상) 제조기술은 일본(Panasonic, 802cm²@17.9%) 등 선진국에 뒤처져 있다. 이 때문에 국내에서도 상용화를 위한 고효율‧대면적 기술 개발이 필요한 시점이다.

□ 고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 전자수송층을 얇고 균일하게 형성하는 것이 중요하다. 두께가 얇을수록 빛을 잘 통과시키기 때문에 높은 전류값을 구현할 수 있으며, 균일하지 못한 전자수송층은 결함(defect)으로 작용해 대면적 모듈 제조 시 효율손실 원인이 되기 때문이다.

□ 기존의 전자수송층은 화학 용액 증착법(Chemical Bath Deposition, CBD)으로 제조된 산화주석(SnO2) 또는 치밀막 산화타이타늄 (Compact TiO2) 위에 다공성 산화타이타늄 (Mesoporous TiO2)을 형성하는 방법이 대표적이다. 화학 용액 증착법으로 제조된 산화주석은 저온 공정이 가능하지만, 제조 시간이 매우 길며 넓은 면적에서는 균일성이 떨어진다고 알려져 있다. 산화타이타늄은 박막의 안정성이 낮고, 500도 이상에서 1시간 이상 고온 처리를 거쳐야 해 대면적 상용화에 적합하지 않은 방법으로 여겨져 왔다.

■ 이에 연구팀은 두께가 얇고 균일하며 저온에서도 제조 가능한 전자수송층을 개발했다고 밝혔다. 제조 시간도 최적화 한다면 10분 이내로 가능하다는 설명이다. 이번 기술을 활용하면 크기에 상관없이 균일한 박막을 짧은 시간 내에 150도 이하 저온에서도 만들어 낼 수 있어 대면적 페로브스카이트 태양전지를 만드는데 최적화된 방법이 될 것으로 기대한다.

□ 기술개발의 핵심은 산화주석과 산화타이타늄 박막을 이중으로 코팅하는 것이다. 먼저 산화타이타늄으로 치밀막을 형성한 뒤, 산화주석 나노입자를 도포하는 방식이다. 이때 폴리 아크릴릭산(Poly Acrylic Acid, PAA)을 이용하면 두 입자사이의 상호작용을 통해 굴곡진 표면(textured surface)에서도 균일한 두께로 산화주석을 결함 없이 코팅할 수 있다는 것을 발견했다. 이렇게 형성된 전자수송층은 태양전지에 활용할 경우 전하의 재결합을 억제하고, 빛 흡수율을 획기적으로 향상시켜 고효율 태양전지를 얻을 수 있었다.

□ 에너지연 연구진은 개발된 기술을 페로브스카이트 태양전지에 적용해 0.1 cm² 이하 소면적 태양전지 효율 25.72%로 비공인 세계기록을 달성했으며, 국제공인인증기관(Newport)에서도 25.4%의 효율을, 25 cm² 및 64 cm² 크기의 서브모듈에서도 각각 21.66% 및 20.55% 공인인증 효율을 기록하여, 각 면적에서 모두 세계 최고수준의 변환효율을 확보했다.

■ 연구를 주도한 에너지연 울산차세대전지연구개발센터 김동석 센터장은 “이 기술을 활용해서 200 cm² 서브모듈에 적용했을 때도 18% 이상의 (비공인) 세계 최고효율을 달성했다. 이는 향후 대면적 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 핵심기술이 될 것으로 확신한다.”고 말했다. 또한 “기존기술과 달리 제조시간이 매우 짧으며 150도 이하에서 모든 공정이 가능하고 대면적 적용에도 급격한 효율저하가 없어, 상용화 난제 해결에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.”라고 밝혔다.

□ 한국에너지기술연구원 ‘기본사업’(다기능 차세대 박막 태양전지 핵심요소 기술개발)’ 및 한국연구재단 ‘기후변화대응 기술개발사업’의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 스위스 로잔공대팀과 국제협력을 통해 이루어졌다.