[지금은 과학] 미니에 머문 태양전지 페로브스카이트,대면적 모듈 가능할까

[아이뉴스24 정종오 기자] 국내 연구팀이 차세대 태양전지 ‘페로브스카이트’의 대면적 모듈 상용화에 대한 가능성을 제시해 눈길을 끈다. 대면적이 가능하다는 것은 상용화가 곧 이뤄진다는 의미다. 고효율 태양광 발전소를 만들 수 있다는 가다.

페로브스카이트는 차세대 태양전지로 꼽히는데 아직 미니모듈에 머물러 있다. 이를 대면적으로 하면 여러 결함이 발생돼 상용화에 어려움이 여전하다.

과학기술정보통신부(장관 이종호)는 한국에너지공과대 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중 책임연구원 공동연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다고 16일 발표했다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 유연화, 경량화가 가능할 뿐만 아니라 원가가 낮아 높은 경제성을 가지는 장점이 있다. 용액공정 기반으로 제작할 수 있어 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력이 있다는 점에서 주목받고 있다.

문제는 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하는 데에는 많은 제약과 한계를 가지고 있다는 점이다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필수적으로 요구되고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 적층돼 있는 구조이다. 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 ‘전자 수송층’의 결함을 제어해 ‘균일한 대면적 박막’을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소 중 하나이다.

기존의 전자 수송층에 사용되는 산화주석 나노입자 분산액은 고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘단위소자’ 제작에 있어는 우수한 결과를 보여줬는데 ‘대면적화에 적용할’ 때는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점이 있었다.

정의혁 교수, 전남중 책임연구원 공동연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도 조절을 통해 최적의 점도를 확보했다. 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발해 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성을 여는 새로운 연구 결과를 얻었다.

이번에 개발된 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용했을 경우 24.5㎠(mini-module)와 214㎠(sub-module)순위로 면적이 커져도 기존의 단위소자 수준에서의 성능과 차이가 눈에 띄게 줄어드는 성과를 얻었다.

극한 환경(섭씨 85℃와 상대습도 85%), 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 우수한 장기 안정성을 보여줬다.

이번 연구에서 개발된 전자 수송층의 균일성과 결함 제어 기술은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로의 기술 이전을 계획하고 있다. 앞으로 대량생산을 통해 상용화에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.

정의혁 교수와 전남중 박사는 “이번 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점”이라며 “기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발해 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

과기정통부 나노소재기술개발사업(나노커넥트)와 개인연구사업(우수신진)의 지원으로 수행한 이번 연구 성과(논문명 : Surface Engineering of Tin Oxide Nanoparticles by pH Modulation Facilitates Homogeneous Film Formation for Efficient Perovskite Solar Modules)는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials’ 7월 6일자 표지 논문으로 선정됐다.