내부 압력 해소를 통한 폐로브스카이트 태양전지 안정성을 확보하는 기술을 개발한 한국화학연구원의 서유현(왼쪽) 박사후연구원과 한길상 박사 [한국화학연구원 제공]

국내 연구진이 차세대 페로브스카이트 태양전지의 상용화 걸림돌로 작용했던 안정성 문제를 해결할 수 있는 원천기술 확보에 성공했다.

한국화학연구원(화학연)은 페로브스카이트 연구팀(한길상·전남중 박사)과 정현석 성균관대 신소재공학부 교수의 공동 연구팀이 최근 논문에서 페로브스카이트 태양전지 안정성 저하의 원인 중 ‘변형 응력’을 해소하는 공정기술 개발에 성공했다고 12일 밝혔다. 페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 무수히 존재하는 다결정 구조로 이뤄져 많은 내부 결함이 있다. 그동안 공기, 수분 등 외부 요인과 열, 전압, 빛 등 내부 요인으로 인한 문제 해결 노력은 많았으나, 내부 압력 해소를 통한 근본적인 문제 해결법은 없었다.

이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내에 형성된 변형 응력은 물리적으로 해결하기가 어려운 한계가 있었다. 페로브스카이트 박막 형성과정에서 발생되는 변형으로 인해 박막 분해가 가속화되는 문제를 해결하지 못한 것이다.

고효율·고안정 페로브스카이트-폴리머 복합재의 모식도 [한국화학연구원 제공]

연구팀은 페로브스카이트 박막 수축에 따른 내부 압력을 해소하는 근원적 접근 방법으로 이를 해결했다. 액체 형태의 페로브스카이트 박막에 특수한 유기 단량체를 추가한 결과, 박막이 응고 후 냉각될 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자 단위 격자 변형과 내부 결함을 줄이고, 효율과 안정성 두 마리 토끼를 다 잡은 결과를 도출했다.

개발된 페로브스카이트 태양전지는 외부의 수분과 산소에 대해 자체적으로 차단이 가능하고 박막 내부 결함과 이동을 최소화, 태양전지 모듈 외부에 봉지재가 없는 기준으로 세계 최고 수준의 효율과 안정성을 구현했다. 또 기존 소재는 보호막 없이 수분에 닿으면 즉각 박막이 분해되며 색이 변하는데 반해, 이번 기술로 제작된 페로브스카이트 박막은 물방울을 박막 표면에 직접 떨어뜨려도 잘 견딘다는 장점도 있다.

이영국 화학연 원장은 “이번 연구로 페로브스카이트 박막 내에 발생하는 결함에 대한 근원적인 해결법을 제시했다”며 “기존 다양한 페로브스카이트 안정성 향상 기술과 시너지 효과를 일으켜, 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 12월호 표지논문으로 게재됐다. 구본혁 기자