빛에 취약한 페로브스카이트 태양전지의 수명 향상 실마리

박막표면 결함 제거하여 빛과 열에 강한 페로브스카이트 개발

□ 빛을 흡수해 전기로 만드는 태양전지. 그런데 정작 태양전지에 쓰이는 핵심소재가 빛에 취약하다면?

ㅇ 상용 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지전환효율에도 불구하고 빛이나 열, 공기 및 수분에 취약해 상용화에 어려움을 겪고 있는 페로브스카이트 태양전지※ 이야기다.

* 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 갖는 유기물과 금속의 혼합체 기반 박막형 태양전지, 빛을 잘 흡수하고 흡수할 수 있는 빛의 영역대가 넓다.

□ 높은 에너지전환효율은 물론 저온의 용액공정으로 제작할 수 있어 가성비 좋은 차세대 태양전지 후보로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 낮은 광 안정성을 극복할 실마리가 나왔다.

ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 김희주·이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 표면 재결정화를 통해 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 제거, 광안정성을 높일 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

□ 기존에도 금속이온을 추가하거나 산화피막을 도입, 페로브스카이트 결정을 단단하게 만들어 안정성을 높이려는 시도가 있었다.

ㅇ 페로브스카이트 소자 자체가 안정성이 낮다는 전제 때문이었다.

□ 하지만 연구팀은 페로브스카이트 자체의 안정성이 아닌 박막으로 제조하는 공정을 개선하는 데 집중했다.

ㅇ 태양전지 구동을 위해 빛을 쬐면 결정을 박막으로 만드는 과정에서 생겨난 결함들이 박막 표면으로 이동, 전극을 부식시키는 것 자체를 원천적으로 방지하고자 한 것이다.

□ 연구팀은 빛에 반응해 페로브스카이트 박막 표면으로 이동한 결함들을 흡착할 유기물로 된 기능층을 도입했다.

ㅇ 페로브스카이트 박막 위에 유기물층을 적층하고 고진공 상태에 보관하면 박막 표면의 결함들이 표면으로 이동하여 유기물층에 흡착되는데, 이후 결함들을 모두 떠안은 유기물층을 씻어내는 방식이다.

□ 이렇게 결함이 제거된 페로브스카이트 박막은 다시 새로운 유기물층과 전극을 연결하여 태양전지로 재사용하는 것이다.

ㅇ 실제 결함이 제거된 페로브스카이트 박막으로 만든 태양전지는 1,000시간 동안 자외선이 포함된 태양광에 노출되거나 85℃의 열에 노출되어도 소자성능이 80% 이상 유지되었다.

□ 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 광안정성 문제를 해결할 수 있는 실마리를 찾아낸 이번 연구결과를 토대로 연구팀은 향후 페로브스카이트 표면의 결함을 빠르게 제거하는 양산화 기술에 대한 연구를 추진할 예정이다.

ㅇ 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업)과 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 환경과학 국제학술지‘에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 2월 17일 게재되었다.