무르고 쉽게 녹이 생기는 ‘철’에 소량의 다른 금속을 첨가하면 단단하고 녹슬지 않는 ‘스테인리스 스틸(stainless steel)’이 만들어진다. 이처럼 첨가물을 통해 ‘페로브스카이트(Peroveskite)’의 단점을 잡을 기술이 개발됐다. 차세대 태양전지로 큰 주목을 받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 상용화가 빨라질 전망이다.

UNIST(총장직무 대행 이재성) 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀은 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들고, 이를 태양전지에 적용한 결과를 ‘사이언스(Science)’ 11월 7일자 온라인판에 발표했다. 새로운 개발한 소재는 첨가물을 바꾸는 것만으로 기존 페로브스카이트 태양전지보다 효율과 안정성(내구성)을 크게 높여 눈길을 끈다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만들기 때문에 저렴하고, 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있어 간편하다. 이런 이유로 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지 후보로 손꼽힌다.

태양전지의 핵심은 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는 ‘광활성층’이다. 이 부분이 얼마나 튼튼하고 안정적인지(내구성), 또 빛을 전기로 바꾸는 효율이 얼마나 높은지가 상용화의 관건이 된다. 페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰이는데, 이 부분의 안정성 강화와 효율 향상이 상용화를 위한 과제였다.

광활성층의 효율은 물질 원자 내 전자의 에너지 구조인 ‘밴드 갭(Band Gap)’에 의해 결정된다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어지므로, 광활성층인 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하다. 그런데 기존 광활성층의 경우 페로브스카이트 결정 구조가 바뀌지 않게 넣어주던 메틸암모니윰(MA, Methylammonium)나 브롬(Br) 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓혔다. 페로브스카이트 결정 구조의 안정성을 유지하려 한 선택이 광활성층의 효율을 낮추게 된 것이다. 심지어 메틸암모니윰은 광활성층의 내구성도 낮추는 문제를 보였다.

석상일 교수팀은 브롬과 메틸암모니윰을 대신해 다른 ‘2가 유기 양이온’(메틸렌다이암모늄, MDA)을 첨가했다. 새로운 첨가물은 결정구조를 안정하게 만들면서 효율도 유지해 광활성층의 안정성과 효율성을 동시에 잡았다.

이번 논문의 제1저자인 민한울 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “이번 연구는 페로브스카이트 물질의 내구성을 위해 주로 첨가하던 물질이’ 1가 양이온’이라는 고정관념에서 벗어난 시도가 좋은 결과로 이어진 것”이라며 “2가 유기 양이온을 첨가한 페로브스카이트의 효율은 23.7%였고, 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동했다”고 설명했다.

석 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 분야의 흐름을 세계적으로 선도하는 연구진으로 유명하다. 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불리는 20%을 처음 넘긴 것은 물론 최고 효율을 스스로 네 차례나 경신한 이력을 가지고 있다. 페로브스카이트 태양전지 관련해 사이언스에 보고한 논문도 이번으로 5편에 이른다.

이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓혔다. 이를 통해 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시키면서도 열·광·수분 안정성을 크게 향상시켰다.

석상일 교수는 “논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행해, 이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것”이라고 전망하며 “UNIST 창업기업인 ‘프론티어에너지솔루션㈜(대표이사 이용희)와 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 리더연구사업, 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지스스템연구단)과 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐다.

https://news.unist.ac.kr/kor/20191108-1/

석상일 에너지 및 화학공학부 교수팀이 세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(이하 페로브스카이트 태양전지)’를 만들 수 있는 핵심소재를 개발하고, 저가로 제작하는 기술을 개발해 30일(미국 현지시간)자 사이언스(Science) 저널에 발표했다. 페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 페로브스카이트 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재로 만든 태양전지를 뜻한다. 페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온으로 이뤄진 독특한 결정 구조체다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 광전변환 효율이 22%으로 높아 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(~25%)을 낼 수 있는 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있다.

석상일 교수팀은 이전에도 페로브스카이트 태양전지 관련 기술을 선도해왔다. 이번 연구는 이전의 성과(구조, 공정, 신조성 등)을 기반으로 진행됐다.

이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온에서 합성하는 방법을 개발했다. 광안정성은 빛에 오랫동안 노출돼도 재료의 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지되는 성질을 말한다. 이번에 개발한 소재는 자외선을 포함한 태양빛에 1000시간 이상 노출돼도 안정적으로 효율을 유지했다. 광전극 소재의 합성도 기존(900℃ 이상의 고온)보다 훨씬 낮춘 200℃ 이하에서 진행할 수 있어 제작을 한층 수월하게 만들었다.

더 나아가 연속적이며 대량생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(hot-pressing) 공법’을 새롭게 제안했다. 핫 프레싱 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다. 이 기술은 고효율‧고안정성‧저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론이다.

석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합해 제조비용을 기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준으로 낮출 것”이라며 “21% 이상의 높은 광전효율과 뛰어난 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

그는 이어 “국내 연구진의 고유 기술로 이뤄낸 이번 성과는 지난 20여 년간 저가 공정 전략을 내세운 기존 차세대 태양전지 기술의 낮은 효율과 안정성의 한계를 뛰어넘는 결과”라며 “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다”고 덧붙였다.

이번 연구는 석상일 UNIST 교수가 주도해 한국화학연구원(1저자: 신성식 박사(現 MIT 박사 후 연구원), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행했다. 연구 지원은 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업을 통해 이뤄졌다.

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https://news.unist.ac.kr/kor/20170401-01/