다아라 매거진 _ 2017.04

기술뉴스

[Technical News] 효율 21%·광안성 1천 시간↑ 광전극 태양전지 개발

고효율, 고안정성, 저비용 새로운 핫-프레싱(hot-pressing) 공법도 함께 제안돼

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인류가 사용할 수 있는 무한한 청정에너지 중 하나인 태양에너지는 태양전지를 통해 유용한 에너지원으로 변환할 수 있다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율은 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 고가라는 문제점이 있다. 낮은 가격으로 제작 가능한 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 기존 차세대 태양전지 역시 다수의 연구가 진행됐지만 낮은 효율을 보여 대규모 상용화에 어려움이 따랐다.

그러나 최근, 미래창조과학부(장관 최양희)는 세계 최고의 안정성을 가진 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술이 개발됐다고 밝혔다.

2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조가 가능할뿐만 아니라 22% 이상의 높은 광전변환 효율을 보여 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 큰 주목을 받고 있다.

울산과학기술원(석상일 교수, 한국화학연구원 학연교수 겸임)이 주도하고 한국화학연구원 등과 공동으로 수행한 연구에서 이전 연구 성과를 기반으로 이종접합 페로브스카이트 태양전지의 고효율화와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온에서 합성하는 방법이 개발됐다.

이번 연구에서 신규 설계한 “La-doped BaSnO3”는 기존 광반도체에 비해 우수한 전기적 특성을 가질 수 있는 물질로 알려져 있었지만, 통상의 방법으로는 LBSO를 페로브스카이트 태양전지 제조에 적용할 수 없었다. 900℃이상의 고온에서 LBSO가 제조될 수 있거나, 비교적 저온에서 합성해도 광전극으로 사용할 수 있을 정도 수준(수백 나노미터 두께의 균일한 막)으로 분산성과 균일 박막 제조가 불가능했기 때문이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 이번 연구에서는 소위 Crystalline Superoxide-Molecular Cluster(CSMC)라는 매우 독특한 중간상을 합성했고, 이것을 전극으로 코팅한 후 500℃이하에서 열처리하는 방법으로 광전극을 제조했다. 그 결과 효율 21% 이상, 광안성 1천 시간 이상을 만족하는 새로운 광전극 소재와 이를 활용한 라미네이션 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술이 개발됐다. 이를 통해 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가할 수 있어 차세대 태양전지 상용화가 앞당겨질 전망이다.

더 나아가 연속적이며 대량 생산 공정이 가능한 핫-프레싱(hot-pressing) 공법을 새롭게 제안해 고효율, 고안정성, 저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지제조 방법론도 제안됐다.

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