국내연구진, '페로브스카이트 태양전지' 상용화 해결책 제시

한국화학연구원, 신개념 페로브스카이트 박막 기술 'DHA' 개발…네이처 발표

서장원 한국화학연구원 박사가 페로브스카이트 태양전지 박막기술 DHA에 대해 설명하고 있다.

[아시아경제 김철현 기자] 국내 연구진이 '페로브스카이트 태양전지' 상용화를 위한 신개념 박막기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉽고 제작원가는 평균 5배 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 '네이처' 28일자에 게재됐다.

한국화학연구원은 이날 화학소재연구본부 서장원 박사팀을 비롯한 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 박막 기술 DHA(이중층 할로겐화물) 개발에 성공했다고 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서는 해결해야 할 난제가 있다. 기존 소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제가 필요한데다 안정성도 취약했다. 또한 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 소재로는 한계가 있었다.

연구진은 전도성 상용 고분자 'P3HT'에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16% 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다. 이를 해결하기 위해 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(이중층 할로겐화물)라는 새로운 기술을 개발했다.

이를 적용하자 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서 우수한 결과를 보였다. 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1000시간 이상 보관했을 때 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다. 지금까지 수분에 취약한 페로브스카이트의 특성은 상용화의 걸림돌이었다. 하지만 DHA 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지에선 높은 수분 안정성을 보였다. 또한 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1300시간 이상 구동했을 때 초기효율 대비 95% 이상의 성능을 유지해 장기 구동 안정성도 확보했다. 연구진은 이처럼 높은 수분 안정성과 장기 구동 안정성은 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있다는 것을 의미한다고 설명했다.

이번 연구를 이끈 서장원 한국화학연구원 박사는 "전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공해 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다"면서 "페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다"고 말했다.

공동교신저자로 참여한 노준홍 고려대 교수는 "페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성 측면의 가능성이 이미 확인됐으나 어떤 기술로 이를 구현할 수 있는지가 상용화의 관건이었다"면서 "이번 연구 결과는 단순히 기존 기술 개선의 연장선상에 있는 효율, 내구성 향상 기술 개발이 아닌 상용화에 근접한 새로운 기술이라는 데 큰 의미가 있다"고 밝혔다.