이번 연구를 주도한 UNIST 박혜성 교수 연구팀. 왼쪽부터 김형민 연구원, 최윤성 연구원, 구동환 연구원.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 박막증착 공정 방식으로 만든 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 이 방식은 전지를 대량생산하는 데 유리한 방식이어서 페로브스카이트 태양전지 상용화의 기대감을 높이고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 박혜성 교수팀은 고효율· 장수명 페로브스카이트 태양전지를 진공 박막증착 공정으로 제조하는 데 성공했다고 밝혔다. 진공 박막증착은 원료 물질을 진공 상태서 증발시켜 기판에 얇게 입히는 방식으로 이미 대형 OLED TV 제조 등에서 널리 쓰이고 있는 기술이다.

이번에 개발된 페로브스카이트 태양전지는 태양광-전기 변환 효율이 21.4%를 기록했는데, 이는 진공 박막증착 공정으로 제조한 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준이다. 또 전지 전체를 보호물질로 감싸는 봉지막(encapsulation) 공정 없이도 60~70% 습도에서 1000시간 전지를 작동시켰을 때 초기 효율의 60% 이상을 유지하는 등 뛰어난 내구성을 보였다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질 바로 위에 얇은 막을 형성시켜 수분과 열에 약한 페로브스카이트를 보호한다. 하지만 기존에 보호 기능이 뛰어난 것으로 알려진 ‘루델스덴-포퍼’ 구조 피막은 내부 입자 배열이 불규칙해 전기를 만드는 효율을 떨어뜨렸다. 무질서한 입자 배열 때문에 전하 입자(전자)가 전극까지 제대로 흘러 들어가지 못한 것.

연구팀은 내부 원자의 정렬 방향을 맞춘 보호 피막을 합성해 이 같은 문제를 해결했다. 증착 과정에서 박막 형성 속도와 같은 공정 변수를 조절하는 기술을 썼다.

이 보호 피막을 입힌 페로브카이트 태양전지는 수분뿐만 아니라 열 내구성 실험에서도 우수한 성능을 보였다.

보호피막을 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조.[UNIST 제공]

박혜성 교수는 “박막 증착은 페로브스카이트 태양전지를 상용화 가능한 큰 크기로 제작하는 데 매우 유리한 제조방식”이라며 “이 방식으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율이 20%를 넘어섰다는 점에서 무척 고무적”이라고 설명했다.

이어 “이번 연구에서 개발한 진공증착 기반의 보호 피막 기술은 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 탠덤 태양전지(실리콘 전지와 페로브스카이트 전지를 결합한 전지), 페로브스카이트 기반 발광다이오드, 광센서 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 전했다.

이번 연구결과는 에너지분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학’ 6월 21일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.