페로브스카이트 태양전지 상용화 시대 오나

에너지기술연구원 김동석 박사팀, 국제 공동연구로 성공
25㎠ 21.66%, 64㎠ 20.55%, 200㎠ 18% 세계 최고효율
150도 이하로 10분이내 제작 가능… 상용화 걸림돌 제거

한국에너지기술연구원 김동석 박사팀이 만든 0.1㎠, 1㎠, 25㎠, 60㎠ 크기의 페로브스카이트 태양전지가 세계 최고효율을 기록했다. 에너지기술연구원 제공

[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.

한국에너지기술연구원 김동석 박사가 200㎠ 크기로 만든 페로브스카이트 태양전지를 들어 보이고 있다. 에너지기술연구원 제공

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.

한국에너지기술연구원 김동석 박사팀의 연구결과에 따른 상용화를 위한 대면적 페로브스카이트 태양전지 모식도. 에너지기술연구원 제공

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.

[e-mail] 김만기 기자