미래창조과학부(장관 최양희)는 “세계 최고의 안정성을 가진‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지*’를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술을 개발”하였다고 밝혔다.
* 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 : 값싼 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트** 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재를 이용하여 제조한 태양전지
** 페로브스카이트(perovskite) : AMX3(A와 M은 양이온, X는 음이온) 화학식을 갖는 결정구조체로 A 양이온이 유기물을 사용할 경우 우수한 태양전지 특성을 가진 물질이 된다.
이 연구결과로 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가 가능하여 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다.
울산과학기술원(석상일 교수, 한국화학연구원 학연교수 겸임)이 주도하고 한국화학연구원 (1저자: 신성식 박사(現 MIT 포스닥), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업 지원으로 수행되었다.
연구결과는 Science 紙 3월 30일(목)자 온라인판에 게재되었으며, 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Colloidally prepared La-doped BaSnO3 electrodes for efficient, photostable perovskite solar cells
- 저자 정보 : 석상일 교수(교신저자, 울산과학기술원), 신성식 박사(제1저자, 한국화학연구원, 現 MIT), 노준홍 박사(공동교신저자, 한국화학연구원, 現 고려대학교)
무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조 가능할 뿐만 아니라 높은 광전변환 효율(22% 이상)을 보여 기존의 실리콘 단결정계 태양전지* 수준(~25%)의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 큰 주목을 받고 있다.
* 태양전지 소재별 특징 및 광전변환 효율 비교
・ 실리콘 단결정계 태양전지 : 광석으로부터 매우 고순도의 태양전지용 실리콘을 제조하기 위하여 대규모의 투자와 에너지 다소비로 제조 비용이 고가임
(현 최고효율: 약 25%)
・ 유기태양전지 : 화학합성과 인쇄공정의 적용이 가능하여 저가로 제조가 가능하지만, 효율과 광안정성이 낮은 단점이 있음 (현 최고효율: 약 12%)
・ 염료감응태양전지 : 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음 (현 최고 효율: 약 13%)
・ 페로브스카이트 태양전지 : 무기물과 유기물이 혼합된 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 이용한 태양전지로 고효율과 제조 비용이 저렴함 (현 최고 효율: 약 22%)
이번 연구에서는 이전 연구성과(구조, 공정, 신조성 기술)를 기반*으로 이종접합** 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성(자외선 포함한 광조사에서 1,000시간 이상 안정한 효율 유지)을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온(기존 900 ℃이상 고온 → 200 ℃이하)에서 합성하는 방법을 개발하였다.
*【 연구진 이전 연구성과 】
・무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 구조 기술 개발 (Nature Photonics ‘13.5)
・매우 균일하고 치밀한 페로브스카이트 박막 제조 신규 용액 공정 기술 개발 (Nature Materials ‘14.7)
・고효율을 위한 페로브스카이트 결정상 안정화 신조성 기술 개발 (Nature ‘15.1)
・고품질 페로브스카이트 박막 형성을 위한 신규 공정 기술 개발 (Science ‘15.6) 등
** 이종접합 : 같은 소재간의 접합인 동종 접합과 달리 다른 종류의 소재간의 접합을 의미, 페로브스카이트는 무기물, 유기물, 무/유기 혼성물 간의 이종접합을 이룸.
더 나아가서 연속적이며 대량 생산 공정이 가능한“핫-프레싱 (hot-pressing) 공법*”을 새롭게 제안하여, 고효율 / 고안정성 / 저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지제조 방법론을 제안하였다.
* 핫-프레싱 공법 : 온도와 압력을 가하여 두 물체를 단단히 점착 시키는 방법
석상일 교수는“이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합하여 낮은 제조 비용(기존 실리콘 태양전지의 절반이하 수준)이 기대되면서 고효율(21% 이상)과 높은 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현”하였다는 데 큰 의미가 있다고 언급하였다.
이번 연구성과는 전 세계적으로 지난 20여 년간 저가 공정을 전략으로 내세운 기존의 차세대 태양전지 기술이 가진 낮은 효율 한계와 낮은 안정성을 뛰어 넘는 결과로서 국내 연구진의 고유 기술로 이루어진 성과로 큰 의미가 있다. 향후, “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다.”라고 연구 의의를 밝혔다.
