최고 안정성 가진 ‘페로브스카이트 태양전지’ 21.2% 효율, 1,000시간 유지되는 핵심 소재 및 저가 제조기술 허령 기자입력 2017-04-26 13:43:26

UNIST 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀이 세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(이하 페로브스카이트)’를 만들 수 있는 핵심소재와 이를 저가로 제작하는 기술을 개발해 3월 30일(미국 현지시간)자 사이언스 저널에 발표했다.
페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 페로브스카이트 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재로 만든 태양전지를 뜻하며, 두 개의 양이온과 하나의 음이온으로 이뤄진 독특한 결정 구조체다. 또한, 값싼 화학소재를 저온에서의 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있고, 광전변환 효율이 22% 높아 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(~25%)을 낼 수 있는 차세대 태양전지 기술로 크게 주목받고 있다.
이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재의 저온 합성에 성공했다. 광안정성은 빛에 오랫동안 노출돼도 재료의 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지되는 성질을 말하는데, 이번에 개발한 소재는 자외선을 포함한 태양 빛에 1,000시간 이상 노출돼도 안정적으로 효율을 유지했다. 또한, 광전극 소재의 합성도 기존(900℃ 이상의 고온)보다 훨씬 낮춘 200℃ 이하에서 진행할 수 있어 제작이 한층 수월해졌다.
아울러, 연속적이며 대량생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(Hot-pressing) 공법’을 새롭게 제안했다. 해당 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시킴으로써, 고효율·고안정성·저비용의 효과를 거둘 수 있는 새로운 페로브스카이트 태양전지 제조 방법론이다.
석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱 공법을 결합해 제조비용을 기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준으로 낮출 것”이라며 “21% 이상의 높은 광전효율과 뛰어난 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현했다는 데 의미가 있다”고 말했다.
그는 이어 “국내 연구진의 고유 기술로 이뤄낸 이번 성과는 지난 20여 년간 저가 공정 전략을 내세운 기존 차세대 태양전지 기술의 낮은 효율과 안정성의 한계를 뛰어넘는 결과”라며 “대 면적 연속공정의 추가 연구를 통한 상용화가 기대된다”고 덧붙였다.
이번 연구는 석상일 UNIST 교수가 주도해 한국화학연구원 신성식 박사, 공동교신 노준홍 박사 등과 공동으로 수행됐으며, 연구 지원은 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업을 통해 이뤄졌다.

★ 용어설명 ★

※ 페로브스카이트(Perovskite)
-> 천연광물인 CaTiO₃와 같은 결정구조를 갖고 있는 AMX₃화합물로 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물(Halide) 또는 산화물(Oxide)을 포함하는 음이온이다.
AMX₃구조는 정육면체 단위격자 꼭짓점의 크기가 큰 양이온(A)이 있고(8×1/8) 가운데 크기가 A에 비해 상대적으로 작은 양이온(M)이, 각 면 중앙에 음이온(X)이 존재하는(6×1/2) 구조로 이뤄져 있다. 페로브스카이트는 A와 B, X에 어떤 원자(또는 작용기)가 있느냐에 따라 수백 가지 종류로 나뉜다. 본 연구에서의 페로브스카이트는 A자리에 유기물인 Methylammonium이 위치하고 M자리에 Lead, X자리에 Halide가 자리 잡은 무기물과 유기물이 화학적으로 결합된 화합물이다.

※ 핫-프레싱(Hot-pressing) 공법
-> 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다.

 

태양전지.jpg
(왼쪽 위)본 연구에서 제조한 LBSO 분말과 용매에 분산된 용액, 그리고 이를 기판에 코팅한 박막, (오른쪽 위)LBSO 분말의 저온 제조를 위한 CSMC 구조 그림, (왼쪽 아래)본 연구를 통해 제조한 페로브스카이트 태양전지의 효율, (오른쪽 아래)1,000시간 동안 1sun에서 연속 광조사 후의 효율 변화이다. 1,000시간 후 약 7%의 효율 저하만 나타났다.

 

★ 연구 이야기 ★

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.
A. 효율 21% 이상, 광안정성 1,000시간 이상을 만족하는 새로운 광전극 소재와 이를 활용해 라미네이션 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나.
A. 고효율이며 저가격인 태양전지 제조에 활용할 수 있으며, 향후 대 면적이며 연속 제조공정을 위한 상용화 기술과 결합해 화석연료와 경쟁력 있는 신재생 에너지 기술에도 다양하게 활용 가능하다.

Q. 연구를 시작한 계기는.
A. 효율과 내구성을 모두 만족하는 새로운 광전극 소재의 개발과 저가의 페로스카이트 제조 방법이 필요하다고 생각했다.

Q. 실용화를 위한 과제는.
A. 대 면적이며 연속으로 제조(넓은 면적에 대량으로 생산)할 수 있는 상용화 공정 개발이 필요하다.

Q. 산업적, 경제적 파급효과는.
A. 태양전지 상용화를 위한 기술이 고도화된다면 큰 파급효과를 끼칠 것으로 기대된다.

Q. 신진연구자를 위한 한마디.
A. 기존 기술과 새로운 기술을 접목할 수 있는 유연하고 창의성 있는 사고가 세상을 바꿀 수 있는 길이라고 본다.

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