태양전지가 보호막 없이도 2000시간 버텨냈다

화학연구원, 페로브스카이트 내구성 향상 기술 개발
최대 24.45% 효율 달성… 33㎠ 모듈도 20.31% 효율

한국화학연구원 한길상 선임연구원(오른쪽)과 서유현 박사후연구원이 안전성을 확보한 페로브스카이트 태양전지를 보여주고 있다. 화학연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원이 페로브스카이트 태양전지의 내구성을 높이는 제작 공정 기술을 개발했다. 이 기술은 태양전지 보호막 없이도 최대 24.45%까지 효율을 보였으며, 2000시간 넘게 태양전지가 가지고 있는 효율의 88.9%를 유지했다.

11일 화학연구원에 따르면, 페로브스카이트 태양전지는 필름 형태로 만드는데 액체에서 고체로 굳은 뒤 냉각될때 수축되면서 형태가 변하면서 성능이 떨어지고 오래 가지 못한다. 이를 방지하기 위해 특정 물질을 섞으면 이 물질이 쿠션처럼 작용해 태양전지 구조의 변형을 막아주면서 효율과 내구성을 유지시킨다.

연구진은 이 기술을 적용해 단위소자 크기인 0.14㎠로 만든 페로브스카이트 태양전지는 효율이 22.26%에서 24.45%로 상승했다. 또 33㎠의 큰 면적으로 만들어 테스트한 결과 최대 20.31%의 효율을 보였다. 뿐만 아니라 태양전지 모듈 외부 보호막인 봉지재 없이도 2000시간 동안 88.9% 효율을 유지했다.

새로운 페로브스카이트 태양전지 공정 기술은 한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀 한길상·전남중 박사와 성균관대 정현석 교수가 협력해 개발했으며, 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 발표, 12월호 표지 논문으로 게재됐다.

페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 뭉쳐져 있어 많은 내부 결함이 생긴다. 때문에 공기나 수분 등의 '외부 요인'이나 열과 전압, 빛 등의 '내부 요인'으로 인한 문제를 해결하기 위한 방안을 찾기 위해 노력하고 있다.

하지만 내부 압력 해소를 통한 근본적 문제 해결법은 없었다. 페로브스카이트 박막 형성과정에서 발생되는 변형으로 인해 박막 분해가 가속화되는 문제를 해결하지 못한 것이다.

연구진은 페로브스카이트 액체 형태의 페로브스카이트 박막에 특수한 유기 단량체를 추가해 박막 수축에 따른 내부압력을 해결했다.

즉 페로브스카이트가 박막으로 굳어질 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자 단위 격자 변형과 내부결함을 줄인 것. 이를통해 효율과 안정성 두 마리 토끼를 다 잡은 결과를 얻어냈다.

과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 12월호 표지 논문으로 한국화학연구원이 개발한 페로브스카이트 태양전지 제작 공정 기술이 실렸다. 화학연구원 제공

[e-mail] 김만기 기자