UNIST 석상일 교수팀, 고효율·고안전성 페로브스카이트 태양전지 제조기술 개발

국내 연구진이 표면처리와 열처리 기술을 이용해 고효율(21.2%)과 고안정성(1,000시간 유지)을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지용 핵심 소재 및 저비용 제조기술을 개발했다. 이로써 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가할 수 있어 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 석상일 교수가 주도하고 한국화학연구원 신성식 박사와 고려대학교 노준홍 교수가 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업지원으로 수행되었다.

무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조 가능할 뿐만 아니라 높은 광전 변환효율(22% 이상)을 보여 기존의 실리콘 단결정계 태양전지 수준(~25%)의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 큰 주목을 받고 있다.

석상일 교수 연구팀은 기존의 고효율을 위한 연구에 더하여 고내구성을 만족하고자, 기존에 사용하여 왔던 광전극 소재를 ‘La-doped BaSnO3(LBSO)’로 대체함으로써 고효율과 고내구성을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있었다.

연구팀이 신규 설계한 ‘La-doped BaSnO3’는 기존의 광반도체에 비하여 우수한 전기적 특성을 가질 수 있는 물질로 기존에 알려져 있었지만, 통상의 방법으로는 LBSO를 페로브스카이트 태양전지 제조에 적용할 수 없었다.

이유는 900℃ 이상의 고온에서 LBSO가 제조될 수 있거나, 비교적 저온에서 합성하여도 광전극으로 사용할 수 있을 정도 수준(수백 나노미터 두께의 균일한 막)으로 분산성과 균일 박막 제조가 불가능하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구팀은 소위 crystalline superoxide-molecular cluster(CSMC)라는 매우 독특한 중간상을 합성하였고, 이것을 전극으로 코팅한 후 500℃ 이하에서 열처리하는 방법으로 광전극을 제조하였다.

연구팀은 나아가 연속적이며 대량 생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(hot-pressing) 공법’을 새롭게 제안하여 고효율·고안정성·저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론을 제안하였다.

석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합하여 낮은 제조비용(기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준)이 기대되면서 고효율(21% 이상)과 높은 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현했다는 데 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

이어 “이번 연구 성과는 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”고 연구 의의를 밝혔다.