25cm2·64cm2 서브모듈서 각각 21.66%·20.55% 세계 최고 수준 변환효율 확보
[에너지데일리 변국영 기자] 대면적 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국에너지기술연구원은 그동안 상용화의 걸림돌로 여겨져 왔던 대면적 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이중구조 전자수송층 제조 기술을 개발해 21일 과학분야 세계 최고권위 학술지인 ‘사이언스지’에 게재했다고 밝혔다.
연구팀은 두께가 얇고 균일하며 저온에서도 제조 가능한 전자수송층을 개발했다. 제조 시간도 최적화 한다면 10분 이내로 가능하다는 설명이다. 이 기술을 활용하면 크기에 상관없이 균일한 박막을 짧은 시간 내에 150도 이하 저온에서도 만들어 낼 수 있어 대면적 페로브스카이트 태양전지를 만드는데 최적화된 방법이 될 것으로 기대된다.
기술개발의 핵심은 산화주석과 산화타이타늄 박막을 이중으로 코팅하는 것으로 먼저 산화타이타늄으로 치밀막을 형성한 뒤 산화주석 나노입자를 도포하는 방식이다. 이때 폴리 아크릴릭산을 이용하면 두 입자사이의 상호작용을 통해 굴곡진 표면에서도 균일한 두께로 산화주석을 결함 없이 코팅할 수 있다는 것을 발견했다. 이렇게 형성된 전자수송층은 태양전지에 활용할 경우 전하의 재결합을 억제하고 빛 흡수율을 획기적으로 향상시켜 고효율 태양전지를 얻을 수 있었다.
연구진은 개발된 기술을 페로브스카이트 태양전지에 적용해 0.1cm2 이하 소면적 태양전지 효율 25.72%로 비공인 세계기록을 달성했으며 국제공인인증기관에서도 25.4%의 효율을, 25cm2 및 64cm2 크기의 서브모듈에서도 각각 21.66% 및 20.55% 공인인증 효율을 기록해 각 면적에서 모두 세계 최고수준의 변환효율을 확보했다.
연구를 주도한 에너지연 울산차세대전지연구개발센터 김동석 센터장은 “이 기술을 활용해서 200cm2 서브모듈에 적용했을 때도 18% 이상(비공인)의 세계 최고효율을 달성했다”며 “이는 향후 대면적 페로브스카이트 태양전지 상용화에 핵심기술이 될 것으로 확신한다”고 말했다. 김 센터장은 “기존 기술과 달리 제조시간이 매우 짧으며 150도 이하에서 모든 공정이 가능하고 대면적 적용에도 급격한 효율 저하가 없어 상용화 난제 해결에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 용액공정으로 값싸고 손쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있어 세계적으로 현재 가장 많이 연구되고 있는 분야다. 국내에서 25.7%의 세계 기록과 최고 기술을 보유하고 있지만 이는 0.1cm2 이하인 소면적 셀이다. 대면적(200cm2 이상) 제조기술은 일본(Panasonic, 802cm2@17.9%) 등 선진국에 뒤처져 있다. 이 때문에 국내에서도 상용화를 위한 고효율‧대면적 기술 개발이 필요한 시점이다.
