[에너지데일리 변국영 기자] 한국에너지기술연구원(원장 곽병성) 울산 차세대전지연구개발센터는 울산과학기술원 및 한국광기술원과 공동으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 핵심기술인 첨가제의 작동원리를 이론적으로 밝혀내고, 이를 국제 논문집인 'Joule'(2019년 6월 24일, 온라인)에 게재했다고 5일 밝혔다.
페로브스카이트는 유기물질과 무기물질이 결합된 형태로 광흡수율이 뛰어나고 전자-정공의 수명과 이동거리가 길어 차세대 고효율 태양전지의 핵심재료로 각광받고 있다. 현재 상용화되고 있는 실리콘 태양전지나 박막태양전지와 비교해 제조장비와 재료비가 저렴하고, 제조절차도 간단해 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 현재 세계 최고효율은 24.2%를 보이고 있다.
고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위해서는 균일한 두께의 박막으로 결정성이 우수하고 결정크기가 큰 페로브스카이트 박막을 제조하는 것이 핵심이다. 첨가제를 사용하여 고효율을 구현하는 연구결과들이 많이 있었으나, 그 원인을 명확하게 알 수 없었다.
균일한 박막을 만들면서도 전기화학적 특성이 우수한 박막을 만드는 것은 순수한 페로브스카이트 용액으로만 구현하는 것이 어려워, 여러 가지 첨가제를 함께 섞어 제조하였을 때 물성이 우수한 박막을 제조하는 것으로 알려져 있다.
연구원은 페로브스카이트 박막을 구현함에 있어 용액공정단계에서 염화메틸암모늄을 첨가하였을 때 결정성이 3배 커지고, 결정크기가 6배 향상됐으며, 발광(photoluminescence) 수명이 4배 이상 향상되는 등 전기화학적 성질이 기존 대비 3~4배 좋아진다는 결과를 얻을 수 있었고, 24% 이상의 효율을 구현하였다고 밝혔다. 또한 이러한 고효율 결과를 얻을 수 있는지에 대한 이론적인 분석에 성공했다고 설명했다.
우선, 염화메틸암모늄을 첨가하면 염소(Cl)이온이 기존 요드(I) 이온보다 크기가 작아서 메탈금속에 강하게 결합되어 체심입방구조(cubic structure)가 우선적으로 형성돼, 소성을 하지 않은 상태에서도 불순물이 없는 안정한 구조를 형성한다는 것을 밝혀냈다.
또한 소성과정에서 염소이온은 날아가고 체심입방구조는 더욱 견고하게 되면서 결정성이 기존의 3배 이상 향상되고 결정크기도 5배 이상 커지면서, 저효율의 원인이었던 전자와 정공의 재결합(recombination)을 크게 줄여준다는 사실도 알아냈다.
더 나아가, 고효율을 구현하기 위해서는 염화메틸암모늄의 농도를 0.4배 몰비로 첨가하는 것이 가장 적절한데, 이는 양이온으로 치환되는 메틸암모늄의 양이 0.4배 몰비 영역에서 형성에너지(formation energy)가 가장 낮게 형성된다는 것을 밝혀냈다.
연구 논문의 교신저자인 에너지기술연구원 김동석 책임연구원은 “이번에 발표된 논문은 첨가제를 활용해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지를 구현하고 이를, 이론적으로 밝혀냈다는데 의의가 크다”며 “향후 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현함에 있어 이론적인 뒷받침이 될 것”이라고 말했다.
또한 공동 교신저자인 울산과학기술원 김진영, 곽상규 교수는 “그동안 알려지지 않는 고효율 페로브스카이트 태양전지가 왜 형성되는지 그 이유를 밝히는 중요한 연구결과로 향후 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 구현에 큰 도움이 될 것”이라고 강조했다.
