한국화학연구원 네이처 발표
고효율․안정성․대면적 기술 성과
[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진의 기술개발로 지금의 실리콘 태양전지보다 훨씬 가벼워 활용성이 높고 가격도 원가 기준으로 평균 5배나 저렴한 차세대 태양전지의 상용화에 성큼 다가섰다.
한국화학연구원 연구진은 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 페로브스카이트 박막 기술 DHA(Double-layered Halide Architecture·이중층 할로겐화물) 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.
연구진은 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다. 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 ‘네이처’ 온라인판에 이날 게재됐다.
이번 연구를 이끈 화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사팀은 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 기술을 선도하고 있다. 앞서 연구진은 2017년 10월 미국신재생에너지연구소(NREL) 차트에 당시 기준 최고 효율인 22.7%의 인증 효율을 등재했다.
나아가 연구진은 이번 논문에서 상용화에 전환점이 될 기술을 적용해 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구 결과를 발표했다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운 데다 제작원가는 평균 5배 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.
연구진은 상용화 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 전도성 상용 고분자 ‘P3HT’에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했지만 단위소자 기준 16% 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.
연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다.
빛에 의해 활성화하는 광활성층인 페로브스카이트 박막표면과 P3HT 사이에 HTAB(헥실 트리메틸 암모니움 브로마이드) 분자를 도입해 DHA를 만든 것이다.
그 결과, 형성된 신규 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적․전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립(Self-assembly)을 바탕으로 정공수송효과가 극적으로 높아졌다.
또한 기존 정공수송소재는 정공수송능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 일으켰다. 페로브스카이트가 수분에 취약한 탓에 태양전지의 안정성에 악영향을 미친 것이다. 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해 문제를 해결했다.
페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다.
서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서 “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다.
kimys@newspim.com
