업계뉴스

연구진이 개발한 기술이 적용된 태양전지 샘플. /한국에너지기술연구원 제공

[투데이에너지 장재진 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 약점인 '짧은 수명' 문제를 해결할 수 있는 신개념 공정 기술을 개발했다.

성능 향상을 위해 넣었지만 역설적으로 소자 파괴의 원인이 됐던 핵심 불순물을 필요한 반응만 유도한 뒤 원천 제거하는 '발상의 전환'을 통해서다. 이 기술은 차세대 탠덤 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 이정표가 될 것으로 기대된다.

연구진이 개발한 기술의 성능실험을 하고 있다. /한국에너지기술연구원 제공

한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 책임연구원 연구팀은 UNIST 김동석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 산화니켈 촉매를 활용해 페로브스카이트 태양전지 수명을 갉아먹는 주범인 리튬 이온과 휘발성 첨가제를 원천 제거하는 '촉매 반응 후 필터링 추출 공정'을 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 성과는 재료과학 분야의 세계적 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 5월호 표지논문으로 선정되며 기술의 우수성을 인정받았다.

빛을 효과적으로 흡수해 높은 효율을 내는 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 겹쳐 효율을 극대화하는 '탠덤 태양전지'의 핵심 소재다. 그러나 고온·고습한 실제 구동 환경에서 수명이 급격히 떨어지는 치명적인 장기 안정성 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.

기존의 고성능 정구조 페로브스카이트 태양전지는 전기가 외부로 흐르도록 돕는 '정공수송층'의 전하 수송 효율을 높이기 위해 리튬염과 이를 녹이는 첨가제(tBP)를 필수적으로 사용해왔다. 문제는 덥고 습한 환경에서 첨가제가 휘발하며 막 사이에 결함을 만들고, 리튬 이온이 내부에서 무분별하게 이동하면서 태양전지를 내부에서부터 망가뜨린다는 점이었다.

그동안 전 세계 학계는 이 물질들의 함량을 최적화하거나 대체재를 찾으려 노력했으나, 성능과 안정성을 동시에 잡는 데는 실패했었다.

에너지연 연구진은 문제를 정면으로 돌파했다. 유해한 불순물을 사용하되, 필요한 반응이 끝나면 깔끔하게 걸러내는 화학적 촉매 제어 기법을 고안했다. 연구진이 개발한 공정의 핵심은 마이크로 크기의 '산화니켈(NiOx) 촉매'다. 정공수송층 제조 용액에 산화니켈 분말을 넣으면 암실에서도 5초 이내에 수송층 산화 반응이 끝난다. 동시에 산화니켈 표면이 리튬 이온을 강력하게 흡착하게 된다. 이 과정에서 리튬염의 용해도가 함께 증가하므로, 기존에 리튬염을 녹이기 위해 쓰이던 유해 휘발성 첨가제(tBP)를 쓸 필요가 없어진다.

이후 반응이 끝난 용액을 필터로 걸러내면, 입자가 큰 산화니켈 촉매가 리튬 이온을 붙잡은 채 물리적으로 100% 여과된다. 결과적으로 성능 저하의 원인이 되는 첨가제와 리튬 잔류물, 촉매까지 모두 사라진 '무결점 청정 정공수송층'이 만들어지는 것이다.

이 혁신적인 공정의 시발점은 다름 아닌 연구실 학생의 실수였다. 초기에는 산화니켈을 단순 산화 촉진제로만 쓰려 했으나, 의사소통 실수로 촉매를 필터로 걸러내는 돌발 상황이 발생했고, 오히려 성능과 안정성이 비약적으로 향상된 우연한 발견을 포착해 연구 방향을 전면 전환한 결과다.

연구진이 이 공정으로 제작된 페로브스카이트 태양전지를 가지고 가혹한 고온·고습 환경(섭씨 85도, 상대습도 85%)에서 내구성을 검증한 결과, 무려 1000시간이 지난 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지하는 압도적인 내구성을 증명했다. 기존 공정으로 만든 태양전지가 600시간 만에 초기 성능이 59%까지 급락한 것과 대조적이다. 또한 첨가제를 쓴 기존 공정의 광전변환효율(25.21%)보다 높은 25.24%의 효율을 기록하며, 유해 첨가제 없이도 효율과 수명을 동시에 잡을 수 있음을 세계 최고 수준의 데이터로 입증했다.

이번 연구를 주도한 안세진 책임연구원은 "이번 성과는 기존 페로브스카이트 제조 공정의 틀을 깨고, 필요한 반응만 유도한 뒤 원인 물질을 완벽히 걸러내는 새로운 공정 패러다임을 제시했다는 데 큰 의의가 있다"라며 "고질적인 수명 문제를 화학적으로 제어해 극복한 만큼, 향후 대면적화 연구 및 차세대 탠덤 태양전지의 조기 상용화를 앞당겨 국가 태양광 기술 경쟁력을 강화하는 중요한 이정표가 될 것"이라고 포부를 밝혔다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)