우리 연구진이 내부 압력 해소로 페로브스카이트 태양전지의 부족한 안정성을 높이는 공정 기술을 개발했다.
한국화학연구원(원장 이영국)은 페로브스카이트 연구팀(한길상·전남중 박사)과 정현석 성균관대 교수팀이 페로브스카이트 태양전지 안정성 저하 원인 중 '변형 응력'에 집중, 이를 해소하는 공정 기술 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.
변형 응력은 소재가 변형되는 과정에서 가해지는 힘이다. 용액 형태 페로브스카이트 박막을 태양전지 기판 위에서 고체인 필름 형태로 만드는 과정에서 페로브스카이트와 기판 열팽창 계수가 달라 내부에 힘이 가해져 수축이 생긴다.
페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 무수히 존재하는 다결정 구조로 내부 결함이 많다. 다양한 문제 해결 노력이 있었지만, 내부 압력 해소를 통한 근본적인 문제 해결법은 없었다.
이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내 변형 응력은 물리적으로 해결하기 어려웠다. 페로브스카이트 박막 형성과정에서 발생되는 변형으로 박막 분해가 가속화되는 문제를 해결하지 못했다.
이번 연구에서는 액체 형태 페로브스카이트 박막에 특수 유기 단량체를 추가했다. 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자 단위 격자 변형과 내부결함을 줄이고, 효율과 안정성 두 마리 토끼를 다 잡은 결과를 도출했다.
이번 연구로 개발한 페로브스카이트 태양전지는 외부 수분·산소를 자체 차단할 수 있고, 박막 내부 결함 및 이동을 최소화한다. 모듈 외부에 봉지재가 없을 때 기준으로 세계 최고 수준 효율과 안정성 보였다.
단위소자(0.14㎠) 효율은 24.45%, 대면적 모듈(33㎠) 효율은 최대 20.31% 다. 외부 봉지재 없이 2000시간 동안 88.9% 효율을 유지했다.
또 기존 소재는 보호막 없이 수분에 닿으면 즉각 박막이 분해되며 색이 변하는데, 연구진의 페로브스카이트 박막은 잘 견뎠다.
이영국 원장은 “이번 연구는 페로브스카이트 박막 내 결함에 대한 근원적인 해결법을 제시한 것”이라며 “기존 페로브스카이트 안정성 향상 기술과 시너지 효과를 일으켜 향후 상용화 원천기술로 활용될 것”이라고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
