한국화학연구원 서장원(오른쪽·공동교신저자)·정의혁(공동제1저자) 박사. /사진=화학연내 연구진이 기존 실리콘 태양전지보다 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 박막기술을 개발했다.
서장원 한국화학연구원 화학소재연구본부 박사팀은 28일 네이처에 고효율·고안정성·대면적 모듈화가 가능한 페로브스카이트 태양전지 박막기술에 관한 논문을 게재했다. 원리는 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 ‘전도성 고분자’의 활용을 극대화한 것이다.
페로브스카이트 태양전지 대면적(5×5) 모듈. /사진=화학연페로브스카이트는 제조비가 실리콘 태양전지의 5분의 1 정도로 저렴하고 전력변환효율도 23% 내외로 실리콘 태양전지 수준에 육박한다. 하지만 소재 가격이 비싸고 높은 전도도를 확보하기 위해 첨가하는 친수성 첨가제가 안정성에 치명적 문제를 일으킨다.
서 박사팀은 이를 극복할 소재로 유기태양전지에 사용되고 있는 전도성 고분자 P3HT에 주목했으나 페로브스카이트 태양전지에 사용할 경우 전력변환효율이 단위소자 기준으로 16% 정도에 그치는 문제가 있었다. 이에 따라 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 이중층 할로겐화물(DHA) 구조를 만드는 박막기술을 개발했다. 광활성층인 페로브스카이트 박막표면과 P3TH 사이에 할로겐화물(HTAB) 분자를 도입해 이중층 할로겐화물을 만든 것이다.
이 페로브스카이트 태양전지는 1,300시간 이상 구동했을 때 초기효율 대비 95% 이상의 성능을 유지, 높은 수분안정성과 장기구동 안정성이 확인됐다. 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화 가능성도 보여줬다. 서 박사는 “앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능해 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
