[기계신문] 한국기계연구원 나노응용역학연구실 심형철 선임연구원이 페로브스카이트 양자점 태양전지의 이중 박막에서 일어나는 양이온 교환현상을 이용해 대기환경에서 최대 1,000시간까지 안정적으로 16%의 효율을 유지하는 태양전지를 만드는 데 성공했다.
태양전지의 광 흡수체는 반도체 성질이 뛰어날수록 자외선부터 가시광선, 적외선까지 흡수 가능한 태양광 대역이 다르다. 따라서 태양광을 더 폭 넓게 활용할 수 있는 광 흡수체를 만들기 위해 각기 다른 물성의 반도체 물질을 여러 층 쌓기 위한 다양한 시도가 이어져왔다.
차세대 태양전지 소재로 주목받는 양자점은 10나노미터 이하의 매우 작은 반도체성 결정 입자로, 소재의 조성이나 성분을 바꾸지 않고 크기를 조절하는 것만으로 반도체 물성을 조절할 수 있어 다층으로 흡수체를 만드는 데 매우 유리하다.
제조 공정도 비교적 간단하다. 기존 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 기판 위에 페로브스카이트 전구체를 뿌린 후 200도 이상의 고온 열처리 과정을 거쳐 결정화해야 한다.
하지만 이미 미세한 결정 상태인 양자점은 용매에 분산하여 액체로 만들어 기판에 뿌리거나 바르기만 하면 태양전지를 만들 수 있다.
연구팀은 각기 다른 양이온(세슘납요오드화물과 포름아미디니움)으로 조성된 이중 박막 구조의 페로브스카이트 양자점 태양전지를 만들었다.
양자점 태양전지는 양이온의 표면을 둘러싼 리간드가 떨어져 나가고 교환하는 과정에서 결함이 생긴다. 연구팀은 포름아미디니움 이온이 이동하면서 그 결함을 스스로 복구하도록 설계하여 안정성을 높였다.
이 때문에 이중 박막 구조의 페로브스카이트 양자점 태양전지는 기존 페로브스카이트 단일 박막 구조의 광 흡수체보다 더 오랜 시간 성능을 유지할 수 있었다.
이 기술을 활용하면 태양전지의 흡수체를 기존 열 공정 없이 용액 공정만으로 만들 수 있어 제조단가를 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 실리콘보다 가볍고 유연한 페로브스카이트의 특성을 활용하여 태양전지를 설치하기 어려운 험지의 전력보급은 물론, 기존 실리콘 태양전지 위에 흡수체를 보강하여 기존 시스템의 효율을 향상시키는 방식으로도 활용할 수 있다.
아울러, 양이온 치환으로 결함이 최소화 된 양자점을 활용하여 별도의 코팅이나 봉지화 기술 없이 태양전지의 대기 안정성을 최대화시킬 수 있다.
기계연구원 심형철 선임연구원은 “단순한 제작 공정으로 페로브스카이트 양자점 태양전지의 높은 효율과 안정성이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 기대된다”며 “후속 연구를 통해 태양전지의 경제성을 더욱 높이고 우리나라의 탄소중립 달성 목표에 기여할 수 있도록 노력할 것”이라고 전했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 기계연구원 주요사업 ‘나노기반 옴니텍스 제조 기술 개발’과 산업통상자원부 국제공동기술개발 사업 ‘양자구조체 기반 고효율 초저가 태양전지 기술개발’ 및 알키미스트 프로젝트 ‘유해물질 신속감지 및 차단이 가능한 소프트 스마트 수트 개발’의 지원을 받아 수행됐다.
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