한국화학연구원 서장원<오른쪽> 박사가 DHA가 도입된 페로브스카이트_태양전지 대면적 모듈을 들고있다.[제공=한국화학연구원]

페로브스카이트 태양전지 대면적 모듈.[제공=한국화학연구원]

- 화학硏 서장원 박사팀, 신개념 페로브스카이트 박막 기술 ‘DHA’ 개발
- 고효율ㆍ안정성ㆍ대면적 구현 가능, 세계 최고효율 17% 달성

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 새로운 해결책을 제시했다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 서장원 박사팀이 신개념 페로브스카이트 박막 기술 DHA(이중층 할로겐화물) 개발에 성공했다고 28일 밝혔다. 이를 통해 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다.

서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 전환점이 될 기술을 적용, 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구 결과를 발표했다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운데다 제작원가는 평균 5배 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

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

연구팀은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있지만 16% 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA(이중층 할로겐화물)라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다.

새로 형성된 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적ㆍ전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립을 바탕으로 정공수송효과가 극적으로 높아졌다.

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

페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다.

또한 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1300시간 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.

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

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 기대되며, 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처’ 3월 28일자에 게재됐다.

구본혁기자nbgkoo@heraldcorp.com