고품질  수송층 구현 통한 고성능 페로브스카이트 모듈 개발 성공

-전자수송소재 나노입자 표면공학 통한 대면적 모듈 상용화 기대

-「어드밴스드 에너지 머터리얼즈」 표지 논문 게재)

-고품질 고성능 고안정성의 페로브스카이트 모듈의 대량생산 가능성 확인

 

정의혁 한국에너지공과대학교 부교수, 전남중 한국화학연구원 책임연구원

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교하여 유연화, 경량화가 가능할 뿐만 아니라, 원가가 낮아 높은 경제성을 가지는 장점을 가지고 있다. 용액공정 기반으로 제작이 가능하여 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력이 있다는 점에서 주목을 받고 있다.

단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하는 데에는 많은 제약과 한계를 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필수적으로 요구되고 있다.

한국에너지공과대학교 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중 책임연구원 공동 연구팀이 고품질 전자 수송층 구현을 통한 고성능 페로브스카이트(Perovskite) 모듈 개발에 성공했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 적층되어 있는 구조로, 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 ‘전자 수송층’의 결함을 제어하여 ‘균일한 대면적 박막’을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소 중 하나이다.

최근에는 2024년 MIT공과대학에서 10대 혁신 기술 중 하나로 선정된 바 있으며, 최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭한 결과, 단위 소자(0.1cm2이하 면적) 기준에서는 기존 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 광전 변환 효율(26.1%)수준을 보여주고 있다.

기존의 전자 수송층에 사용되는 산화주석 나노입자 분산액은 고효율 페로브스카이트 태양전지 ‘단위소자’ 제작에 있어는 우수한 결과를 보여주었지만, ‘대면적화 적용 시’에는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점이 있었다.

한국에너지공과대학교 정의혁 교수 및 한국화학연구원 전남중 책임연구원 공동연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도 조절을 통해 최적의 점도를 확보하고, 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발하여 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성을 여는 새로운 연구결과를 얻었다.

 

해당 연구 성과 대표 결과 및 Advanced Energy Materials 표지

이번에 개발된 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용하였을 경우, 24.5cm2(mini-module)과 214cm2(sub-module)순으로 면적이 커져도 기존의 단위소자 수준에서의 성능과의 차이가 현저히 줄어드는 성과를 얻은 것이다. 또한, 극한 환경(섭씨 85℃ 및 상대습도 85%) 및 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 우수한 장기 안정성을 보여주었다.

이 연구에서 개발된 전자 수송층의 균일성 및 결함 제어 기술은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로의 기술 이전을 계획하고 있으며, 추후 대량생산을 통해 상용화에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대된다.

한국에너지공과대학교 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중 박사는 “이번 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점이며, 기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하여 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.

과기정통부 나노소재기술개발사업(나노커넥트) 및 개인연구사업(우수신진)의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF 27.8)」에 7월 6일(현지시간 7.5.(금) 17시 GMT) 표지 논문으로 선정*되었다. 논문명은 Surface Engineering of Tin Oxide Nanoparticles by pH Modulation Facilitates Homogeneous Film Formation for Efficient Perovskite Solar Modules이다.

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 최근 MIT Technology Review에서 선정한 2024년도 10대 기술로 선정되며 페로브스카이트 태양전지 기술이 주목받고 있다.

○ 기존 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 유연 특성을 가질 수 있는 페로브스카이트 태양전지는 상용화 단계에서 대면적 모듈에서 높은 안정성과 효율이 중요하다.

○ 단위 셀에서는 높은 효율과 안정성이 많이 연구되고 있으나, 대면적 모듈에서는 단위 소자보다 낮은 효율과 불안정성이 커져 이를 보완할 기술이 필요하다.

2. 연구내용

○ 한국에너지공대 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중 책임연구원 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 기존 전자 수송 층인 SnO2 물질에 산을 첨가하는 간단한 공정을 도입하여 대면적 모듈에서도 우수한 효율과 높은 안정성을 보이는 태양전지를 제작하였다.

○ N-I-P 태양전지에서 주로 사용되는 SnO2 소재는 높은 투명성과 전자 수송 능력을 지녀 전자 수송 층(ETL)으로 사용된다. 그러나 태양전지의 대면적화가 진행되면서, 주석산화물 나노 입자로 인한 층의 불균일성에 의해 안정적인 효율을 얻지 못한다.

○ 이때 염기성 용액인 주석산화물 나노 입자에 낮은 pH의 산을 소량 첨가하면, pH가 조절되면서 나노 입자의 표면 상태를 변화시킬 수 있다. 주석산화물 나노 입자의 변화된 표면 상태는 균일한 전자 수송 층을 형성하는 데 도움을 준다.

3. 연구성과/기대효과

○ 상대적으로 더 균일한 전자 수송 층을 형성함으로써 단위 소자뿐 아니라 대면적 모듈에서도 단위 소자와 차이가 적은 안정적인 효율을 가질 수 있었다.

○ 24.5cm2의 미니 모듈과 214cm2의 서브 모듈에서 각각 높은 열/습도 테스트, 실외 구동 테스트를 거쳐 높은 안정성을 가지고 있음을 증명하였다.

○ 이번 연구를 통해 공동연구팀은 대면적 페로브스카이트 모듈에 적용할 수 있는 간단한 공정을 제안하면서 향후 페로브스카이트 태양전지 모듈의 상용화의 가능성을 확인하여 후속 연구의 방향성을 제시하였다.

○ 해당 연구 결과는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 포스코청암재단 지원으로 수행되었다. 특허 등록 및 에너지 분야의 저명한 국제학술지인 Advanced Energy Material 표지 논문으로 게재되며 우수성을 인정받았다.

이정희 기자