[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원과 ㈜유니테스트가 만든 페로브스카이트 태양전지가 중국이 보유한 대면적 부문 세계 최고 효율을 뛰어넘어 20.6%를 달성했다. 연구진은 지난 7일 독일의 국제 공인 인증 기관인 '프라운호퍼'로부터 세계 최고 효율을 인증받았으며, 곧 미국재생에너지연구소(NREL)의 '태양전지 최고효율 차트'에 등재될 예정이다. 21일 화학연구원에 따르면, 양측은 협업을 통해 200㎠ 이상의 대면적 셀 생산 기술을 공동으로 개발했다. 이 기술을 활용해 본격적으로 페로브스카이트 태양전지 상용화를 추진할 예정이다. 특히 페로브스카이트 소재의 잠재력을 활용한 실내·창호용 제품, 기능성 응용 분야 제품 등의 양산을 준비 중이며, 일부 제품은 올해 시장에 출시할 계획이다. 페로브스카이트 태양전지는 기판 위에 용액을 코팅해 비교적 쉽고 저렴하게 대량생산할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 현재 페로브스카이트 태양전지 효율을 높여 상용화하기 위해 한국, 중국, 중동 등의 기술 개발 경쟁이 매우 치열하다. 하지만, 대면적 셀의 이론적 한계 효율은 현실적인 손실 경로를 고려할 경우 대략 27% 수준으로 알려졌지만, 아직까지 20%를 넘는 기술은 없었다. 효율을 높이려면 소재 최적화 및 코팅 균일화, 그리고 레이저 공정 최적화 과정이 필수적인데, 대면적 소자의 다양한 요소를 최적화하는 과정이 쉽지 않다. 화학연구원 페로브스카이트 연구팀은 자체 소재 합성 최적화 및 코팅의 균일화 그리고 레이저 파워를 최적화해 기존에 중국이 보유하던 19.2%의 대면적 인증 효율을 훨씬 뛰어넘는 20.6%의 공인 인증을 획득했다. 특히 이번에 개발한 세계 최고 효율의 단일접합 페로브스카이트 대면적 태양전지 제작기술은 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 대면적 공정에 직접 적용이 가능하므로, 이 분야의 조기 상용화를 위해서는 매우 중요한 핵심 기술이다. 화학연구원은 개발한 대면적 셀을 바탕으로 옥외 실증 테스트를 진행하는 등 기업 상용화에 실질적인 역할을 수행하고 있다. ㈜유니테스트는 이 기술을 토대로 그동안 추진하던 유리창호형 페로브스카이트 태양전지 사업화와 더불어, 국내 유수의 자동차 생산업체와 함께 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지를 파노라믹 솔라루프에 장착하는 등 페로브스카이트 태양전지 상용화를 본격적으로 추진한다. 특히 올해 안에 실내용 페로브스카이트 태양전지 양산을 목표로 설비를 구축 중이다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 서울대 이태우 교수팀이 서로 다른 종류의 발광 소재를 겹으로 쌓아 만든 하이브리드 탠덤 발광 부품을 개발했다. 기존 페로브스카이트 하나로 만든 발광 부품은 구동 수명이 100 니트(nit) 정도 밝기에서 1.8시간 밖에 되지 않았지만 새로 개발한 탠덤 발광 부품은 5600시간에 육박해 3108배 오래 사용할 수 있다. 16일 과학기술정보통신부에 따르면, 이태우 교수팀이 페로브스카이트를 기반으로 탠덤 발광부품을 제작한 세계 최초의 연구결과를 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 발표했다. 이번 연구결과는 향후 차세대 디스플레이 분야에서 페로브스카이트 발광 소재 상용화에도 기여할 것으로 전망된다. 이태우 교수는 "서로 다른 발광 부품을 적층해 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 부품을 구성하는 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다"며, "이를 기반으로 녹색뿐 아니라 청·적색 하이브리드 페로브스카이트 탠덤 부품을 개발, 풀컬러 하이브리드 탠덤 디스플레이 구현에 도전하겠다"고 말했다. 차세대 태양전지 소재로 널리 알려진 페로브스카이트는 전기적 특성과 색 순도가 우수하고 가격이 저렴해 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있으나, 기존 유기발광소자(OLED)보다 효율이 낮다는 한계가 있다. 이를 해결하는 방법 중 하나는 서로 다른 특성의 소자를 결합하는 탠덤구조를 이용하는 것이다. 하지만 용액공정으로 제작하는 페로브스카이트의 특성상 다른 소자와 적층하는 것이 매우 까다롭고, 단순히 적층하는 것만으로는 높은 색순도와 발광 효율을 갖게하는 것이 어렵다. 연구진은 용액공정으로 하단의 페로브스카이트 나노 결정 단일부품을 만든 뒤 증착공정으로 상단의 유기 발광 단일부품을 제작하는 새로운 설계 디자인으로 탠덤 구조 페로브스카이트 발광 부품을 만들어냈다. 연구진은 광학 시뮬레이션을 통해 고효율·고색순도를 동시 구현하는 최적의 소자구조를 찾아 '하이브리드-탠덤 밸리'로 명명했다. 새로운 하이브리드 탠덤 부품은 최초로 외부 양자효율 37%에 달한다. 또한 페로브스카이트 상단 유기 발광층의 빛이 모두 투과하도록 30나노미터(㎚) 정도로 얇고 투명한 나노입자 발광체를 사용해 광추출 효율을 극대화했다. 특히 이 기술을 이용해 면적이 크고 유연한 발광 부품까지 만들어내는데 성공했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 차세대 디스플레이 소자로 주목받는 페로브스카이트와 기존 유기발광다이오드(OLED) 장점을 접목시킨 새로운 발광소자가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 과학기술정보통신부는 서울대 이태우 교수 연구팀이 금속 할라이드 페로브스카이트와 유기 발광 소재를 결합해 오래가면서도 고효율인 하이브리드 탠덤 발광소자 개발에 성공했다고 16일 밝혔다. 태양전지 소재로 주로 활용되는 페로브스카이트는 전기적 특성과 색 순도가 우수하면서도 값은 싸 차세대 디스플레이 소자로 주목받고 있지만 OLED보다 효율이 낮다는 단점이 있다.  이같은 단점을 보완하기 위해 두 개 이상 소자를 쌓는 '탠덤' 구조를 이용하는 연구가 이어지고 있지만, 용액 공정으로 만드는 페로브스카이트 특성상 다른 소자 위에 쌓기 힘들고, 높은 색 순도와 발광 효율을 내기도 어려웠다. 연구팀은 용액공정으로 페로브스카이트 나노결정 단일소자를 만든 후 증착 공정으로 상단에 유기 발광 단일소자를 만드는 새로운 디자인을 개발했다. 광학 시뮬레이션을 통해 고효율이면서도 고색순도를 동시에 구현하는 소자구조를 찾았으며 '하이브리드-탠덤 밸리'란 이름을 붙였다. 신 소자는 100니트(휘도 단위)일 때 5596시간 가동할 수 있어, 2시간을 견디지 못하는 페로브스카이트보다 지속 시간이 3000배 이상 늘어나 상용화에도 유리한 것으로 밝혀졌다. 이태우 교수는 "서로 다른 발광 소자를 쌓아 효율과 고색순도를 동시에 만족하도록 소자를 구성하는 가이드라인을 제시한 데 의의가 있다"며 "녹색뿐 아니라 청·적색 하이브리드 페로브스카이트 탠덤 소자를 개발해 풀컬러 하이브리드 탠덤 디스플레이 구현에 도전하겠다"고 전했다. camila@fnnews.com 강규민 기자

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원 전남중 박사팀과 한국과학기술원(KAIST) 서장원 교수팀이 페로브스카이트 태양전지를 200㎠ 이상의 넓은 면적으로 만들어 18.24%의 효율을 달성했다. 활성면적 기준으로는 19.91%를 달성해 세계 최고 수준의 효율이다. 2일 화학연구원에 따르면 전세계적으로 공신력이 있는 페로브스카이트 태양전지 차트인 '미국재생에너지연구소(NREL) 차트' 기준 200㎠ 이상 대면적에서 이전까지 17.9%가 최고 효율이다. 연구진은 이번에 만든 태양전지 기술을 국제 공인 인증 후 NREL 차트에 반영할 예정이다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘에 불순물을 첨가해 실리콘태양전지를 만드는 것처럼 페로브스카이트라는 물질에 첨가제를 넣어 만든다. 연구진은 "현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀 크기와 비슷한 200㎠ 이상 대면적에서 세계 최고 효율과 장기 안정성까지 확보했다"며 "약한 빛에서도 사용할 수 있는 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지와 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것"이라고 말했다. 연구진이 만든 페로브스카이트 태양전지의 핵심은 잘 녹는 성질의 이온성 액체 형태의 불순물을 개발해 추가한 것이다. 이 불순물을 추가해 만든 태양전지를 테스트한 결과 1080시간 연속으로 강한 빛을 쪼인 후에도 초기 효율인 18.24% 대비 89% 이상을 유지했다. 또한 온도 85도와 습도 85% 조건에서도 초기효율 대비 90% 이상을 유지했다. 연구진은 "현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀 크기와 비슷한 200㎠ 이상 대면적에서 세계 최고 효율과 장기 안정성까지 확보했다"며 "약한 빛에서도 사용할 수 있는 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지와 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것"이라고 말했다. 연구진은 2016년부터 연구해 온 대면적 코팅기술과 레이저 식각 공정을 적용해 고효율, 고안정성을 갖는 대면적 페로브스카이트 셀을 실현할 수 있었다. 관련 기술을 2020년 국내 특허 출원 후 2022년에 국내 특허 등록을 마쳤다. 또한 국내 특허 등록 후 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료했으며, 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다. 한편, 연구진은 이번 연구결과를 과학기술 분야 국제학술지 '에너지 환경과학(Energy Environmental Science)'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 이광희·김희주 교수와 부산대 서홍석 교수 공동연구팀이 페로브스카이트 층 아래 얇은 고분자 막을 추가해 태양전지 성능을 수년간 성능을 유지할 수 있게 만들었다. 이 고분자막은 전기를 잘 만들 수 있도록 페로브스카이트를 고성능·고품질로 만들어낸다. 김희주 교수는 3일 "얇은 막을 추가한 페로브스카이트 태양전지는 전기전환효율 24.4%를 수년간 유지할 수 있다"고 말했다. 연구진은 새로운 막을 추가해서 만든 태양전지에 가속화 실험을 진행했다. 약 700시간 연속으로 빛을 노출한 실험결과, 초기 효율 대비 7%만 줄어들어 우수한 광안정성을 보여줬다. 현재 사용하고 있는 실리콘 태양전지도 공장에서 안정성 테스트할때 가속화 실험을 한다. 강한 빛을 1000시간 쪼여 초기효율 대비 90%를 유지할 경우 장기적인 신뢰성을 갖는 것으로 간주한다. 이광희 교수는 "향후 태양광 모듈 및 건물 일체형 태양전지 개발 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것"이라고 말했다. 태양전지는 빛을 받으면 전자가 정공에서 빠져나와 이동하면서 전기에너지로 바뀌는데 이 전자를 정공에 재결합하면서 전기에너지가 만들어지지 않고 열에너지로 방출된다. 이를 비방사재결합이라하는데, 빛을 흡수하는 페로브스카이트층이 잘 만들어지지 않아 이 같은 현상이 일어난다. 이에 연구진은 새로운 '비공액고분자'를 개발하고, 간단한 용액공정을 통해 페로브스카이트 박막 아래층에 얇은 막 형태로 접목시켰다. 새로운 비공액고분자 층은 페로브스카이트 물질의 태양빛 흡수를 방해하지 않으며, 고품질의 페로브스카이트가 만들어지는 것을 유도해 내부 결함을 효과적으로 줄였다. 또한, 이온성 기능기를 도입해 페로브스카이트 물질에서 생성된 전하를 하부 전극으로 효과적으로 추출하고, 더욱 향상된 전하 수송능력으로 태양전지의 성능을 끌어올렸다. 연구진은 비공액고분자 층이 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 향상돼 24.4%의 에너지 전환효율을 기록했다. 또한 가속화 실험인 약 700시간 태양광 노출 실험에서 초기 효율 대비 7%만 줄어들어 우수한 광안정성을 보여줬다. 이광희 교수는 "이번 연구를 통해 페로브스카이트 물질의 성능저하의 근본적인 원인을 해결할 수 있는 실마리를 제시했다"고 말했다. 연구진은 이번 결과물을 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내외 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 소재 개발이 한창이다. 낮은 제작 단가, 용이한 생산 공정, 유연화 가능 등의 장점을 지녀 실리콘 태양전지를 이을 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다. 우선 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 김호범 교수팀이 해외 연구진과 공동으로 페로브스카이트 태양전지 제작에 필수적으로 사용되는 정공수송층 신물질을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구진은 이 신물질을 이용해 고효율이면서 수명이 긴 페로브스카이트 태양전지를 만들었다. 또한, 한양대 한태희 교수팀과 성균관대 전일 교수팀이 수천번을 접고 휘어도 스스로 성능을 복구하는 새로운 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 폴리머가 첨가된 페로브스카이트 태양전지는 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다. ■1000시간 이상 사용해도 끄떡없다 김호범 교수팀은 스위스 로잔 연방공대 나지루딘·다이슨 교수팀, 이탈리아 콘실리오 국립연구소 포지 박사팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 정공수송용 신규 소재 'BSA50'를 개발했다. 이 소재는 페로브스카이트층 속 빛 흡수에 의해 형성된 정공 추출에 효율적이며, 페로브스카이트에 존재하는 결함을 제거할 수 있다. 새 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 22.65%에 달해 기존 '스파이로 오미타드' 정공수송층으로 만든 것과 거의 비슷한 97% 수준이다. 하지만 안정성 면에서는 태양빛 아래 1000시간 동안의 작동 후에도 초기 효율 대비 89% 이상 유지했다. 이는 기존 소재를 적용한 소자가 유지하는 효율인 82%보다 우수한 성능과 안정성을 지님을 보여준다. 또한 대면적인 6.5×7㎠ 크기의 페로브스카이트 태양광 모듈을 제작해 실험한 결과, 기존 소재를 사용하지 않은 모듈 중 세계 최고 효율인 21.35%를 달성했다. 김호범 교수는 "기존 소자의 효율은 유지하면서 안정성은 크게 향상시킬 수 있는 정공수송층 신물질을 개발해 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. ■수천번을 접고 휘어도 끄떡없다 한태희·전일 교수팀은 페로브스카이트에 고분자 물질을 혼합해 잘 휘어지면서도 성능을 유지하는 '자가치유형 태양전지'를 개발했다. 연구진은 페로브스카이트 광활성층의 유연성을 높이고, 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체를 합성했다. 또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합 세기를 제어하도록 설계했다. 그 결과, 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다. 또한 정상상태의 빛을 전기로 전환되는 광전효율이 22.61%에 달했으며, 휘어졌을때의 광전효율은 23.25%를 유지했다. 한태희 교수는 "차세대 전자소자의 형태로 기대되는 인체 친화적 유연성과 신축성을 갖춘 휴대용, 입을 수 있는 전자소자의 태양 빛을 통한 손쉬운 에너지 수급을 가능하게 한다"고 말했다. 또한 "태양전지의 기계적 유연성을 크게 증가시키고 반복된 휘어짐에도 셀프힐링 기능으로 성능을 회복하게 함으로써 실제로 휴대용 전자기기에 사용 가능한 형태의 고성능, 고안정성 태양전지의 개발이라는 측면에서 향후 발전 가능성이 크다"고 설명했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 박혜성 교수팀이 페로브스카이트 태양전지를 대형 OLED TV 제조 방식으로 만들어 전기전환 효율과 내구성을 높였다. 연구진이 만든 페로브스카이트 태양전지는 봉지공정(인캡슐레이션) 없이도 전기전환 효율이 21.4%에 달했다. 또한 습도가 60~70%일때 1000시간 동안 작동해도 초기 효율의 60% 이상 유지했다. 박혜성 교수는 1일 "박막 증착은 페로브스카이트 태양전지를 상용화 가능한 큰 크기로 제작하는 데 매우 유리한 제조방식"이라며 "이 방식으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율이 20%를 넘어섰다는 점에서 무척 고무적"이라고 말했다. 박 교수는 이어 "이번에 개발한 진공증착 기반의 보호 피막 기술은 페로브스카이트 태양전지 뿐만아니라 실리콘과 페로브스카이트 태양전지를 결합한 탠덤 태양전지, 페로브스카이트 기반 발광다이오드, 광센서 등에도 응용할 수 있을 것"이라고 설명했다. 연구진이 사용한 진공 박막증착은 원료 물질을 진공 상태서 증발시켜 기판에 얇게 입히는 방식이다. 이는 이미 대형 OLED TV 제조 등에서 널리 쓰이고 있는 기술이다. 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질 바로 위에 얇은 막을 형성시켜 수분과 열에 약한 페로브스카이트를 보호한다. 하지만 기존에 보호 기능이 뛰어난 것으로 알려진 '루델스덴-포퍼' 구조 피막은 내부 입자 배열이 불규칙해 전기를 만드는 효율을 떨어뜨렸다. 무질서한 입자 배열 때문에 전자가 전극까지 제대로 흘러 들어가지 못한 것. 연구진은 내부 원자의 정렬 방향을 맞춘 보호 피막을 합성해 이 같은 문제를 해결했다. 증착 과정에서 박막 형성 속도와 같은 공정 변수를 조절하는 기술을 썼다. 이 보호 피막을 입힌 페로브카이트 태양전지는 수분뿐만 아니라 열 내구성 실험에서도 우수한 성능을 보였다. 제1 저자인 최윤성 연구원은 "페로브카이트 물질 위에 증착된 보호 피막 덕분"이라며 "이 보호 피막은 수분, 열 자극 보호 효과가 탁월하면서도 기존 보호 피막과 달리 전지 효율을 떨어뜨리지 않는다"고 설명했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

광주과학기술원(GIST) 김희주·이광희 교수팀은 부산대 화학과 서홍석 교수팀과 함께 열과 빛, 공기 등 장시간 외부환경 노출에도 높은 안정성을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지를 보다 간단한 구조로 만들어 20.28%의 에너지전환 효율을 달성했다. 이 태양전지를 실험실 내에서 혹독한 환경을 만들어 테스트를 진행했다. 그결과 85도 이상 열에서 1000시간, 강한 빛에 350시간, 일반 공기에 1500시간 노출해도 초기 성능의 80%를 유지했다. 김희주 교수는 2월 28일 "최악의 실험실 환경을 만들어 얻어낸 이번 결과는 태양전지가 10년 정도를 버틸 수 있다는 것을 의미한다"고 설명했다. 김 교수는 "이 결과를 토대로 올해에는 대면적으로 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실외공간에 설치해 내구성 테스트를 추가로 진행할 예정"이라고 말했다. 용액공정으로 제작되는 페로브스카이트 박막은 높은 결정성을 가지지만 결정과 결정사이, 또는 박막의 표면에 이온 결함들이 존재한다. 페로브스카이트 태양전지가 열, 빛, 공기에 노출됐을 때 표면과 내부에서 상부로 이동한 이온결함들은 상부전극을 부식시켜 태양전지의 성능을 떨어뜨린다. 이는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 최대 걸림돌이다. 연구진은 페로브스카이 태양전지의 안정성을 높이기 위해 페로브스카이트 내부의 이온결함을 흡수하는 초박막 전해질층 적용했다. 새로 개발한 초박막 고분자 전해질은 열적 안정성이 높은 카바졸 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민 작용기를 도입했다. 이 전해질을 윗쪽 전극과 페로브스카이트 층 사이에 매우 얇은 막으로 만들어 넣었다. 이를 적용해 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실험실에서 열과 빛, 공기노출 실험을 진행했다. 그결과, 이 새로운 고분자 전해질 층은 페로브스카이트 박막 표면과 내부에 존재하는 이온결함을 효과적으로 흡착하면서도 상부전극과 페로브스카이트 층 사이의 전하이동을 향상시켰다. 또한, 신규 구조의 페로브스카이트 태양전지는 85도의 열에 1000시간 동안 노출해도 태양전지 초기의 성능을 80%이상 유지했다. 이와함께 350시간 동안 빛에 노출시키고, 공기 중에 1500시간 이상 노출 했음에도 안정적으로 태양전지가 작동했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 김희주·이광희 교수팀은 부산대 화학과 서홍석 교수팀과 함께 열과 빛, 공기 등 장시간 외부환경 노출에도 높은 안정성을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지를 보다 간단한 구조로 만들어 20.28%의 에너지전환 효율을 달성했다. 이 태양전지를 실험실 내에서 혹독한 환경을 만들어 테스트를 진행했다. 그결과 85도 이상 열에서 1000시간, 강한 빛에 350시간, 일반 공기에 1500시간 노출해도 초기 성능의 80%를 유지했다. 김희주 교수는 2월 28일 "최악의 실험실 환경을 만들어 얻어낸 이번 결과는 태양전지가 10년 정도를 버틸 수 있다는 것을 의미한다"고 설명했다. 김 교수는 "이 결과를 토대로 올해에는 대면적으로 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실외공간에 설치해 내구성 테스트를 추가로 진행할 예정"이라고 말했다. 용액공정으로 제작되는 페로브스카이트 박막은 높은 결정성을 가지지만 결정과 결정사이, 또는 박막의 표면에 이온 결함들이 존재한다. 페로브스카이트 태양전지가 열, 빛, 공기에 노출됐을 때 표면과 내부에서 상부로 이동한 이온결함들은 상부전극을 부식시켜 태양전지의 성능을 떨어뜨린다. 이는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 최대 걸림돌이다. 연구진은 페로브스카이 태양전지의 안정성을 높이기 위해 페로브스카이트 내부의 이온결함을 흡수하는 초박막 전해질층 적용했다. 새로 개발한 초박막 고분자 전해질은 열적 안정성이 높은 카바졸 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민 작용기를 도입했다. 이 전해질을 윗쪽 전극과 페로브스카이트 층 사이에 매우 얇은 막으로 만들어 넣었다. 이를 적용해 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실험실에서 열과 빛, 공기노출 실험을 진행했다. 그결과, 이 새로운 고분자 전해질 층은 페로브스카이트 박막 표면과 내부에 존재하는 이온결함을 효과적으로 흡착하면서도 상부전극과 페로브스카이트 층 사이의 전하이동을 향상시켰다. 또한, 신규 구조의 페로브스카이트 태양전지는 85도의 열에 1000시간 동안 노출해도 태양전지 초기의 성능을 80%이상 유지했다. 이와함께 350시간 동안 빛에 노출시키고, 공기 중에 1500시간 이상 노출 했음에도 안정적으로 태양전지가 작동했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 김동석 박사팀이 국내외 공동연구를 통해서 페로브스카이트 태양전지를 넓은 면적으로 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이번 연구성과는 과학분야 세계 최고권위 학술지인 '사이언스(Science)'에 21일 발표됐다. 김동석 박사는 "이 기술을 활용해서 200㎠ 서브모듈에 적용했을 때도 18% 이상의 세계 최고효율을 달성해 향후 대면적 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 핵심기술이 될 것으로 확신한다"고 말했다. 또한 "기존기술과 달리 제조시간이 매우 짧고, 150도 이하에서 모든 공정이 가능하며 대면적 적용에도 급격한 효율저하가 없어, 상용화 난제 해결에 크게 기여할 수 있을 것"라고 밝혔다. 에너지기술연구원에 따르면, 이 기술로 만든 페로브스카이트 태양전지는 25㎠와 64㎠ 크기의 서브모듈에서도 각각 21.66%와 20.55% 공인인증 효율을 기록, 각 면적에서 모두 세계 최고수준의 변환효율을 확보했다. 또한 저온에서도 두께가 얇고 균일하게 만들 수 있다. 연구진은 공정의 최적화를 통해 10분 이내에 만들 수 있다고 설명했다. 연구진은 이미 개발된 기술을 페로브스카이트 태양전지에 적용해 0.1㎠ 이하의 소면적 태양전지 효율 25.72%로 비공인 세계기록을 달성했었다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지를 두께가 얇고 균일하며 저온에서도 제조 가능한 전자수송층을 개발했다. 고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 전자수송층을 얇고 균일하게 형성하는 것이 중요하다. 두께가 얇을수록 빛을 잘 통과시키기 때문에 높은 전류값을 구현할 수 있다. 균일하지 못한 전자수송층은 결함으로 작용해 대면적 모듈 제조때 효율손실 원인이 된다. 연구진이 개발한 기술의 핵심은 산화주석과 산화타이타늄 박막을 이중으로 코팅하는 것이다. 먼저 산화타이타늄으로 치밀막을 형성한 뒤, 산화주석 나노입자를 도포했다. 이때 폴리 아크릴릭산을 이용하면 두 입자 사이의 상호작용을 통해 굴곡진 표면에서도 균일한 두께로 산화주석을 결함 없이 코팅할 수 있다. 이렇게 형성된 전자수송층을 태양전지에 활용할 경우 전하의 재결합을 억제하고, 빛 흡수율을 획기적으로 향상시켜 고효율 태양전지를 얻을 수 있다. 기존의 전자수송층은 화학 용액 증착법(CBD)으로 제조된 산화주석 또는 치밀막 산화타이타늄 위에 다공성 산화타이타늄을 형성하는 방법이 대표적이다. 화학 용액 증착법으로 제조된 산화주석은 저온 공정이 가능하지만, 제조 시간이 매우 길며 넓은 면적에서는 균일성이 떨어졌다. 산화타이타늄은 박막의 안정성이 낮고, 500도 이상에서 1시간 이상 고온 처리를 거쳐야 해 대면적 상용화에 적합하지 않은 방법으로 여겨져 왔다. monarch@fnnews.com 김만기 기자