나석인 교수(유연인쇄전자전문대학원) 연구팀이 첨가물을 이용한 ‘고품질 페로브스카이트(Perovskite) 박막형성 기술’을 개발했다고 14일 밝혔다. 특히 연구팀은 이를 적용해 세계 최고 수준의 효율을 달성함으로써 ‘고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지’의 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열었다.

  태양전지의 핵심은 태양 빛을 흡수해 전기를 생산하는 광활성층으로, 페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물로 구성되고 칼슘티타네이트(CaTiO3)와 동일한 페로브스카이트 결정구조를 가지는 광흡수 특성이 우수한 소재를 광활성층으로 사용한다. 이런 이유로 페로브스카이트 태양전지는 저온/용액공정을 통해 값싸고 손쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 고효율의 태양전지 제조가 가능해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 후보 중 하나로 꼽힌다.

  페로브스카이트 태양전지 상용화는 광흡수 특성이 높은 고품질의 대면적 페로브스카이트 광활성층을 얼마나 튼튼하고 안정적으로 제조할 수 있는가에 달려있다. 이 부분에서 고품질 대면적 페로브스카이트 광활성층 제조 및 안정성 향상은 상용화를 위해 해결해야할 과제다.

  그러나 기존 페로브스카이트 광활성층 내부 및 표면에 존재하는 다수의 결함에 의해 효율이 저하되고 안정성에 치명적인 문제들이 발생되고 있다.

  나석인 교수팀은 이를 해결하기 위해 두 가지 기능기를 동시에 가지는 새로운 유기물 첨가제를 도입하고, 기능기의 역할을 밝히는 것에 역점을 뒀다.

  이번 연구에서 도입된 새로운 유기물 첨가제가 페로브스카이트 박막 내부 및 표면의 결함을 줄이고 보완함으로써 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시켰다. 수산화 말단 기능기(-OH)에 의한 선택적 양이온 착화물의 형성으로 페로브스카이트 결정성장이 제어되고 결함이 감소된 것이라고 연구팀은 설명했다.

  실제로 이 페로브스카이트 태양전지는 단위소자에서 21.0%의 높은 효율을 기록했으며, 대면적 소자에서는 세계 최고 수준인 20.4%의 효율을 달성한 것으로 나타났다.

  또 이 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 광활성층을 수분과 공기로부터 안전하게 보호하는 봉지(encapsulation)를 하지 않은 상태로 상대습도 30~40%인 조건에서 60일 동안 초기 효율의 72%를 유지, 상대습도가 50%~60%인 조건에서 104일 동안 초기 효율의 36%를 유지함으로써 높은 수분안정성과 장기구동 안정성이 확인됐다.
 
  이번 연구를 주도한 권성남 연구교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 빠르게 발전하여 이제는 실리콘 태양전지에 견줄 수 있을 만큼 효율이 향상되었지만 상용화를 위한 기술 확보는 더딘 상태”이라며 “이번 연구결과는 향후 고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 초석이 될 것”이라고 말했다.

  권성남 연구교수, 나석인 교수, 최미정 석사과정, 전력연구원 김도형 박사가 주도한 이번 연구결과는, 에너지과학 분야 세계적인 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 2020년 5월 게재됐다. (논문명: Functional additives for high-performance inverted planar perovskite solar cells with exceeding 20% efficiency: selective complexation of organic cations in precursors)

  이번 연구는 ‘한국전력연구원 (주력연구사업)’과 ‘한국연구재단 (기초연구사업)’의 지원을 통해 수행되었다.