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  • 기사등록 2022-08-01 12:00:03
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▲ UNIST 신소재공학과 박혜성 교수팀이 고효율·장수명 페로브스카이트 태양전지를 진공 박막증착 공정으로 제조하는 데 성공했다. (우측부터) 구동환 연구원, 최윤성 연구원, 김형민 연구원



[기계신문] 페로브스카이트 태양전지는 현재 태양전지 시장의 주를 이루는 실리콘 태양전지와는 다르게 다양한 조성 조합을 통해 광·전기적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있으며, 얇고 가볍게 제작이 가능할 뿐 아니라 공정 과정과 비용이 상대적으로 저렴하다.


실리콘이 가진 한계를 뛰어넘을 수 있는 차세대 태양전지로써 주목받고 있는 이유다. 이러한 페로브스카이트 태양전지가 상용화되기 위해서는 현재 취약점으로 지적되는 수분·열과 같은 외부 환경 요인에 대한 내구성 개선이 선행되어야 한다.


최근 UNIST 신소재공학과 박혜성 교수팀이 고효율·장수명 페로브스카이트 태양전지를 진공 박막증착 공정으로 제조하는 데 성공했다.


진공 박막증착은 원료 물질을 진공 상태서 증발시켜 기판에 얇게 입히는 방식으로 이미 대형 OLED TV 제조 등에서 널리 쓰이고 있는 기술이다. 이 방식은 전지를 대량생산하는 데 유리한 방식이어서 페로브스카이트 태양전지 상용화의 기대감을 높이고 있다.



▲ 보호 피막을 포함한 페로브스카이트 태양전지. (a) 모식도 및 (b) 전류-전압 곡선. 페로브스카이트 광활성층 박막 위에 2차원 보호층을 형성하였다. 진공증착 기반의 2차원 보호피막(BABr(V))을 포함한 페로브스카이트 태양전지(붉은색)에서 가장 우수한 광전변환효율을 보인다. 그래프 상단의 면적이 넓을수록 생산할 수 있는 전력량이 많음을 의미한다.



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 1,000시간 전지를 작동시켰을 때 초기 효율의 60% 이상을 유지하는 등 뛰어난 내구성을 보였다.


최윤성 연구원은 “페로브카이트 물질 위에 증착된 보호 피막 덕분”이라며 “이 보호 피막은 수분, 열 자극 보호 효과가 탁월하면서도 기존 보호 피막과 달리 전지 효율을 떨어뜨리지 않는다”고 설명했다.


페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질 바로 위에 얇은 막(passivation layer)을 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 못하기 때문이다.



▲ 2차원 보호층을 포함한 페로브스카이트 박막의 결정 구조와 전자 수송 개략도. 페로브스카이트층에서 생성된 자유전자가 구조적 정렬이 잘 이루어진 진공증착 기반의 2차원 보호층(BABr(V))을 통해 원활히 이동하는 모습을 보여주고 있다.



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.


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.


박 교수는 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 것으로 기대한다”고 밝혔다.



▲ 보호 피막의 수분, 열 보호 기능 검증. (a) 수분 노출 (b) 열 노출 환경에서 노출 시간별 정규화된 광전변환효율의 변화. 수분과 열 노출 환경에서 모두 진공증착 기반의 2차원 보호층(BABr(V))을 포함한 페로브스카이트 태양전지가 가장 적은 광전변환효율 감소폭을 보여 소자 내구성이 뛰어남을 확인할 수 있다.



이번 연구를 통해 개발된 정렬된 구조를 가지는 진공증착 기반의 페로브스카이트 보호층 기술은 수분·열 등의 외부 환경으로부터 페로브스카이트 박막의 성능 저하를 효과적으로 차단하고 전하 수송 성능 향상을 가져올 수 있다.


또한, 페로브스카이트 광활성층을 포함한 대부분의 박막이 OLED, 광학코팅, 투명전극 제조 등 기존의 산업현장에서 널리 사용되고 있는 진공증착 기술로 제작 가능하다는 것을 입증해 보임으로써 페로브스카이트 태양전지의 상업화와 대면적화의 가속화가 촉진될 것으로 기대된다.


한편, 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 한국과학기술연구원의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 6월 21일자로 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

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