비정질 주석아연산화물 활용해 고효율·고신뢰성 갖춘 페로브스카이트 태양전지 개발
비정질 주석아연산화물 활용해 고효율·고신뢰성 갖춘 페로브스카이트 태양전지 개발
  • 엄재성 기자
  • 승인 2018.10.31 06:27
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기존 이산화티타늄 기반 태양전지 대비 효율 20.02% 향상
비정질 Zn2SnO4의 특성분석. (사진=한국연구재단)
비정질 Zn2SnO4의 특성분석. (사진=한국연구재단)

국내 연구팀이 간단한 용액 공정으로 효율성과 신뢰성, 안정성을 모두 갖춘 태양전지 개발에 성공했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 건국대학교 이만종 교수 연구팀이 비정질 주석아연산화물(amorphous Zn2SnO4)을 이용해 고효율·고신뢰성의 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트 재료는 매우 높은 광 흡수도를 갖는 물질로 이를 흡수층으로 만든 페로브스카이트 태양전지는 뛰어난 광학적, 전기적 특성을 보여 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

기존의 실리콘 태양전지는 제조 공정이 복잡하고 제작비용이 비싼 반면, 페로브스카이트 태양전지는 원료를 잉크처럼 칠하는 간단한 공정으로 제작할 수 있다. 하지만 태양전지 구성 요소 가운데 전자의 주입을 쉽게 하는 전자 선택층의 재료로 주로 사용하는 이산화티타늄(TiO2)은 안정성과 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

이러한 태양전지의 전자 선택층 문제를 개선하기 위해 연구팀은 그동안 사용되지 않았던 비정질 물질인 Zn2SnO4을 전자 선택층으로 사용했다. 그 결과 페로브스카이트 태양전지의 전자 전도성이 향상되고 자외선 영역에서 높은 안정성이 확인됐으며, 빛 에너지가 전기에너지로 전환되는 광전변환 효율과 안정성도 획기적으로 향상됐다.

비정질은 고체이면서도 원자 배열이 액체처럼 흩어져 있는 상태의 물질로, 실험 결과 비정질 Zn2SnO4 기반의 페로브스카이트 태양전지는 전자 전도성과 표면 균일성이 향상되어 광전 변화 효율이 기존 이산화티타늄(TiO2) 기반 태양전지의 17.0%와 비교, 20.02%의 향상된 효율을 나타내었다.

특히 페로브스카이트 태양전지 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이었던 히스테리시스가 많이 감소하였으며, 안정성과 신뢰성 면에서도 이산화티타늄(TiO2)보다 우수한 성능을 보였다.

이만종 교수는 “이번에 최초 보고된 비정질 주석아연산화물(Zn2SnO4)은 기존 이산화티타늄(TiO2)보다 신뢰성과 안정성 측면에서 우수하며, 간단한 공정으로 제작이 가능하다는 것을 입증했다”라며 “차세대 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 제작 및 실용화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야 세계적 학술지 ACS 에너지 레터스(ACS Energy letters) 10월 12일 논문으로 출판되었다.



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