빛을 흡수해 전기로 만드는 태양전지. 그런데 정작 태양전지에 쓰이는 핵심소재가 빛에 취약하다면? 상용 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지전환효율에도 불구하고 빛이나 열, 공기 및 수분에 취약해 상용화에 어려움을 겪고 있는 페로브스카이트 태양전지(페로브스카이트 결정구조를 갖는 유기물과 금속의 혼합체 기반 박막형 태양전지, 빛을 잘 흡수하고 흡수할 수 있는 빛의 영역대가 넓다) 이야기다.
높은 에너지전환효율은 물론 저온의 용액공정으로 제작할 수 있어 가성비 좋은 차세대 태양전지 후보로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 낮은 광 안정성을 극복할 실마리가 나왔다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 김희주·이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 표면 재결정화를 통해 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 제거, 광안정성을 높일 수 있음을 확인했다고 밝혔다.
기존에도 금속이온을 추가하거나 산화피막을 도입, 페로브스카이트 결정을 단단하게 만들어 안정성을 높이려는 시도가 있었다. 페로브스카이트 소자 자체가 안정성이 낮다는 전제 때문이었다.
하지만 연구팀은 페로브스카이트 자체의 안정성이 아닌 박막으로 제조하는 공정을 개선하는 데 집중했다. 태양전지 구동을 위해 빛을 쬐면 결정을 박막으로 만드는 과정에서 생겨난 결함들이 박막 표면으로 이동, 전극을 부식시키는 것 자체를 원천적으로 방지하고자 한 것이다.
연구팀은 빛에 반응해 페로브스카이트 박막 표면으로 이동한 결함들을 흡착할 유기물로 된 기능층을 도입했다. 페로브스카이트 박막 위에 유기물층을 적층하고 고진공 상태에 보관하면 박막 표면의 결함들이 표면으로 이동하여 유기물층에 흡착되는데, 이후 결함들을 모두 떠안은 유기물층을 씻어내는 방식이다.
이렇게 결함이 제거된 페로브스카이트 박막은 다시 새로운 유기물층과 전극을 연결하여 태양전지로 재사용하는 것이다. 실제 결함이 제거된 페로브스카이트 박막으로 만든 태양전지는 1,000시간 동안 자외선이 포함된 태양광에 노출되거나 85℃의 열에 노출되어도 소자성능이 80% 이상 유지되었다.
페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 광안정성 문제를 해결할 수 있는 실마리를 찾아낸 이번 연구결과를 토대로 연구팀은 향후 페로브스카이트 표면의 결함을 빠르게 제거하는 양산화 기술에 대한 연구를 추진할 예정이다.
과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실사업(글로벌연구실사업)과 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 환경과학 국제학술지‘에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 2월 17일 게재되었다.
(그림 1) 페로브스카이트 박막의 표면 재결정 과정 모식도
(1~2 단계) 페로브스카이트 태양전지를 상부전극 증착 전까지 제작하고, 고진공(<10-6 Torr) 용기 안에 보관, 표면의 결함들을 기능층에 흡수시킨다.
(3단계) 일정 시간이 지난 후 용매를 이용하여 페로브스카이트 박막 상부의 기능층을 제거한다.
(4단계) 다시 소자를 제작하여 최종적으로 상부전극을 증착, 페로브스카이트 박막 표면의 결정화를 강화시킨다. 제공 : 광주과학기술원 이광희 교수
(그림 2) 페로브스카이트 태양전지의 성능(광안정성 및 열안정성) 변화 곡선
(상) 광안정성 : 표면 재결정화를 거친 페로브스카이트 태양전지는 최대전력점 추적방법을 통해 성능을 측정하였을 때 유사태양광 조건에서 1,000 시간 후에도 초기성능의 80%를 유지하였다
(하) 열안정성 : 표면 재결정화를 거친 페로브스카이트 태양전지를 1,000 시간 동안 85℃의 온도에 노출했을 때에도 초기성능의 90%를 유지하였다. 제공 : 광주과학기술원 이광희 교수
