[지금은 과학] 200㎠ 대면적 페로브스카이트…세계 최고 효율 18.24% 달성

[아이뉴스24 정종오 기자] 200㎠에 이르는 페로브스카이트 대면적 태양전지 셀의 효율이 18.24%에 이르렀다. 세계 최고 효율이라고 관련 연구팀은 전했다. 국내 연구팀이 이 같은 성과를 거두고 해당 기술을 기업에 이전할 계획이다.

전 세계적으로 기후위기에 따른 탄소중립 달성을 위해 재생에너지 비중이 확대되고 있다. 국내 연구팀이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발하는데 성공해 눈길을 끈다.

한국화학연구원(원장 이영국) 전남중 박사, 한국과학기술원(KAIST) 서장원 교수 공동 연구팀은 기존 흡습성이 큰 도펀트를 대신해 우수한 용해성을 가지는 이온성 액체 형태의 도펀트(공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물)를 개발했다. 이를 통해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율, 안정성을 한꺼번에 얻었다.

연구팀은 신규 도펀트 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지 200㎠ 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 달성했다. 활성면적 기준으로는 19.91%를 달성한 세계 최고 수준의 효율이다.

현재 전 세계적으로 공신력이 있는 페로브스카이트 태양전지 차트인 ‘NREL 차트’ 기준 200㎠ 이상 대면적에서 17.9%가 기존 최고 효율이다. 이번 기술을 국제 공인 인증 후 NREL 차트에 반영을 추진할 계획이다.

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있다. 유연하고 훨씬 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 전 세계적으로 각광을 받아 왔다.

현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 좁은 면적(~0.1㎠)에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이뤄져 왔다. 넓은 면적에 동일한 성능을 구현할 수 있어야 한다. 오랫동안 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 기술 확보가 필수이다.

그동안 페로브스카이트 태양전지에 주로 이용하던 유기 단분자 소재(Spiro-OMeTAD)는 효율 확보에는 유리한데 열에는 매우 취약했다. 유기 고분자인 PTAA(폴리트리아릴아민)는 고온에서 매우 안정적인데 효율을 극대화하기에는 한계가 있었다.

이 같은 문제를 극복하기 위해 ‘도펀트’를 도입했다. 주로 이용돼 온 리튬(Li) 등의 이온 염 기반 도펀트는 전도도를 향상시켜 효율을 증가시킬 수 있었다. 물과 매우 친한 성질을 지녀 물을 흡수하는 경향이 있었다. 이러한 수분은 페로브스카이트 층, 정공 수송층을 장기적으로 분해해 성능을 떨어트리는 단점으로 작용한다.

공동연구팀은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서, 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완해 효율과 안정성을 획기적으로 높이기 위해 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발했다.

연구팀은 산-염기 반응에 힌트를 얻어 ▲정공 전달 고분자 PTAA에 전도도를 향상시킬 수 있는 ‘산 물질’ ▲페로브스카이트 표면의 결함을 억제해 안정성을 확보할 수 있는 아민 계열의 ‘염기 물질’을 반응시켜 신규 도펀트를 찾았다.

아민의 탄소 원자 수와 농도를 조절해 용액 내에 완전히 분산시켜 성공적으로 200㎠ 이상의 대면적에 코팅할 수 있었다. 이를 통해 ▲18.24%의 세계 최고 수준의 효율을 달성했고 ▲연속광조사 1천80시간 후 초기효율 대비 89% 이상을 확보했다.

현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 비슷한 200㎠ 이상 대면적의 세계 최고 효율과 장기 안정성까지 확보해 저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것으로 전망된다.

연구팀은 관련 기술에 대해 2022년 국내 특허 등록을 마쳤다. 국내 특허 등록 후 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료했다. 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다.

이영국 화학연 원장은 “소재와 에너지 소자 분야 관련 기업과 적극적 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있기를 기대한다”고 말했다.

연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘Energy Environmental Science’ 2023년 3월호 논문으로 실렸다.