국내 연구팀이 차세대 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지는 않는 기술을 개발해 건물 일체형 태양전지 등을 등장시킬 날도 머지않은 것으로 기대되고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희) 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업으로 연구를 수행한 이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀은 차세대 신재생에너지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다.

쉽게 만들 수 있으면서도 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점 때문에 페로브스카이트 태양전지는 전 세계에서 연구개발이 이어지고 있다.

참고로 페로브스카이트는 ABX3(A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 화학조성으로 구성된 결정 구조를 갖는 신소재로, 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지를 말한다.

많은 태양광에너지를 얻기 위해서는 태양전지를 크게 만들어야 하지만 페로브스카이트 태양전지는 크기가 커질수록 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있었다.

연구팀은 큰 효율 저하 없이 기존 1㎠ 의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 제작하는데 성공한 것이다.

이광희 교수 연구팀의 연구는 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 4월 10일자에 게재(논문명 : Achieving Large-Area Planar Perovskite Solar Cells by Introducing an Interfacial Compatibilizer)됐다.

연구내용을 구체적으로 살펴보면 연구팀은 페로브스카이트 태양전지는 먼저 유리기판 위에 유기전하수송층을 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 제작했다.

공액 고분자 전해질은 양친성을 가져 친수성의 페로브스카이트 전구체 용액과 소수성의 유기전하수송층 사이의 발수현상을 해결한다. 그 결과 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성*을 획기적으로 증가시켜 넓은 면적에서도 고품질의 페로브스카이트 박막을 얻을 수 있게 해준다. 

이러한 양친성 고분자 계면 상용화제 기술은 어떠한 유기전하수송층 위에서도 효과적으로 젖음성을 개선시켜 주어 고품질의 대면적 페로브스카이트 박막을 전하수송층 및 기판의 종류에 상관없이 제작 가능하게 한다.

양친성의 고분자 전해질 계면 상용화제를 적용하여 18.4cm2(4.6cm×4 cm)의 대면적 페로브스카이트 필름을 제작하고 그것을 기반으로 1cm2 면적의 페로브스카이트 태양전지 단위 셀 6개를 제작했다.

모든 단위 셀들은 평균 16% 이상, 최고 17%의 고효율을 보여, 대면적 페로브스카이트 태양전지 제작 시 태양광 전환효율 16% 이상을 기대 할 수 있게 된 것이다.

이는 연구실 단위 태양전지 효율 검증의 기준으로 적용되는 소면적(0.1 cm2) 단위소자 효율 19% 대비 90%에 근접하는 성능이며 대면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 성능이다.

이 연구는 태양전지를 제작하는 과정에서 페로브스카이트 필름 형성 시 핀홀 등의 결함이 발생해 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 양친성 소재를 이용하여 해결했다.

이 연구결과는 페로브스카이트 필름의 대면적화 신기술을 보여준 것으로, 2배 이상 늘어난 태양전지 효율을 통해 건물 옥외 및 창문에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다. 또한 고전력 생산을 위한 페로브스카이트 태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로도 기대되고 있다.

이광희 교수는 “이 연구는 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발한 것”이라며 “저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.