UNIST 에너지 및 화학공학부 석상일 교수. © News1

제작비용이 낮고 효율은 높아 차세대 태양전지의 강력한 후보로 떠오른 ‘페로브스카이트 태양전지’에 높은 내구성까지 추가될 전망이다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 빨라질 것으로 기대되고 있다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀이 세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’를 만들 수 있는 핵심소재를 개발하고, 저가로 제작하는 기술을 개발해 30일(미국 현지시간)자 사이언스 저널에 발표했다.페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 페로브스카이트 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재로 만든 태양전지를 뜻한다. 페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온으로 이뤄진 독특한 결정 구조체다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 광전변환 효율이 22%으로 높아 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(최고 25%)을 낼 수 있는 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있다.

그동안 사용해 왔던 실리콘 단결정계 태양전지는 광석에서 고순도의 태양전지용 실리콘을 제조하는 데 대규모 투자와 많은 에너지가 필요해 제조비용이 비싸다(현재 최고효율:약 25%). 또 유기태양전지는 화학합성과 인쇄공정을 적용할 수 있어 저가로 제조가 가능하지만 효율과 광안정성이 낮다는 게 단점이 있다(현재 최고효율:약 12%).염료감응태양전지는 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만 액체전해질을 사용하므로 장기적으로 사용하기에는 안정성 문제가 있다(현재 최고효율:약 13%).

그러나 페로브스카이트 태양전지는 무기물과 유기물이 혼합된 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 이용한 태양전지로 효율이 높고 제조비용이 저렴하다(현재 최고효율:약 22%)는 장점을 최대화 했다.

LBSO 분말과 용액 성능 그래프 등. © News1

석상일 교수팀은 이전에도 페로브스카이트 태양전지 관련 기술을 선도해왔다. 이번 연구는 이전의 성과(구조, 공정, 신조성 등)를 기반으로 진행됐다.

이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온에서 합성하는 방법을 개발했다. 광안정성은 빛에 오랫동안 노출돼도 재료의 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지되는 성질을 말한다.

이번에 개발한 소재는 자외선을 포함한 태양빛에 1000시간 이상 노출돼도 안정적으로 효율을 유지했다. 광전극 소재의 합성도 기존(900도 이상의 고온)보다 훨씬 낮춘 200도 이하에서 진행할 수 있어 제작을 한층 수월하게 만들었다.

나아가 연속적이며 대량생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱 공법’을 새롭게 제안했다. 핫 프레싱 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다. 이 기술은 고효율‧고안정성‧저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론이다.

석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 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.

석 교수는 또 “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 “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다”고 덧붙였다.

이번 연구는 석상일 UNIST 교수가 주도해 한국화학연구원(1저자: 신성식 MIT 박사 후 연구원, 공동교신: 노준홍 고려대학교 교수) 등과 공동으로 수행했다.


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