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신개념 페로브스카이트 태양전지 박막 기술 ‘DHA’ 개발

신개념 페로브스카이트 태양전지 박막 기술 ‘DHA’ 개발 - 다아라매거진 기술이슈
(a)비교군과 DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성 평가, (b)구동 안정성 평가, (c)25cm2(5cmx5cm) 페로브스카이트 모듈 사진, (d)스핀코팅 및 바코팅 기법으로 P3HT를 적층한 페로브스카이트 모듈의 전류 밀도-전압 곡선

화석연료 고갈과 지구 온난화에 대응하기 위해 신재생 에너지 연구개발은 전 세계적으로 중요한 과제다. 특히 최근 정부도 ‘신재생에너지 3020 이행계획안’을 발표할 정도로 그 중요성이 날로 커지고 있다. 신재생 에너지 중에서도 무한하고 청정한 태양광 발전은 화석연료를 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 최근 태양광 R&D 로드맵에서 실리콘 태양전지를 병행하고 대체할 차세대 기술로 페로브스카이트 태양전지를 주목하고 있다.

무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 2009년, 일본의 미야자카(Miyasaka) 교수팀이 최초로 발표한 이후, 단기간에 그 기술이 급속도로 발전해 기존의 CIGS 박막 태양전지 이상의 전력변환효율을 확보했다.

최근에는 한국화학연구원 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 페로브스카이트 박막 기술 DHA(Double-layered Halide Architecture·이중층 할로겐화물) 개발에 성공했다. 이를 통해 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다. 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 ‘네이처(IF=41.577)’에 3월 28일자(현지기준)로 게재됐다.

한국화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사팀은 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 기술을 선도하고 있는 가운데, 2017년 10월 NREL 차트에 22.7%의 인증 효율을 등재했다. 이번 논문에서는 상용화에 전환점이 될 기술을 적용해 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구 결과를 발표했다.

그 동안 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제가 필요한데다, 안정성도 취약했다. 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 정공수송소재로는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16%(단위소자 기준) 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(Double-layered Halide Architecture․이중층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. 빛에 의해 활성화되는 광활성층인 페로브스카이트 박막표면과 P3HT 사이에 HTAB분자를 도입해 DHA를 만든 것이다.

구체적으로 P3HT와 페로브스카이트를 강하게 결합시키기 위해 P3HT의 알킬체인과 같은 크기의 알킬체인이 필요했다. 이를 위해 연구진은 페로브스카이트 박막계면에 HTAB을 도포해 반더발스인력을 유도했다. HTAB의 알킬체인과 P3HT의 알킬체인을 지퍼처럼 맞물리게 한 것이다.

그 결과, 형성된 신규 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적․전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립(Self-assembly)을 바탕으로 정공수송효과가 극적으로 높아졌다.

기존 정공수송소재는 정공수송능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 야기시켰다. 페로브스카이트가 수분에 취약한 탓에 태양전지의 안정성에 악영향을 미친 것이다. 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해, 이 같은 문제를 해결했다.

페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다.

페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1천 시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다. 지금까지 수분에 취약한 페로브스카이트의 특성은 상용화의 걸림돌이었다. 하지만 DHA 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지에선 높은 수분 안정성을 보였다.

실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1천300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95%이상의 성능을 유지해 장기 구동 안정성도 확보했다. 이처럼 높은 수분 안정성과 장기 구동 안정성은 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

이번 연구는 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성도 보여줬다. 0.1㎠ 크기(단위소자)에서 확인한 기술을 25㎠ 크기(대면적 모듈)에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준의 고효율인 16%를 기록했다.

한국화학연구원 서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서 “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다.

공동교신저자로 참여한 노준홍 교수(한국화학연구원 겸임연구원, 고려대 건축사회환경공학부 부교수)는 “페로브스카이트 태양전지는 효율과 안정성 측면의 가능성이 이미 확인됐으나 어떠한 기술로 이를 구현할 수 있는지가 상용화의 관건이었다”면서 “이번 연구 결과는 단순히 기존 기술 개선의 연장선상에 있는 효율, 내구성 향상 기술 개발이 아닌 상용화에 근접한 새로운 기술을 통해 이를 구현했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 포항방사광가속기의 UNIST-PAL 빔라인(울산과학기술원, 신태주 교수, 공저자)에서 스침각 X선 회절기법을 활용했다.
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