페로브스카이트 태양전지 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 신개념 촉매 공정 기술이 국내에서 개발됐다. 태양전지 수명이 짧은 원인인 리튬 이온을 원천 제거한다. 페로브스카이트 활용 탠덤 태양전지 상용화를 앞당길 전망이다.
한국에너지기술연구원은 산하 태양광연구단이 이같은 성과를 거뒀다고 15일 밝혔다.
페로브스카이트는 주로 다른 태양전지와 겹쳐 효율을 높이는 탠덤 태양전지 상부셀로 활용되며, 막을 쌓는 순서에 따라 정구조·역구조로 구분된다. 이 중 정구조는 높은 효율을 보이지만, 고온·고습 환경에서 수명이 감소하는 단점이 있다.
페로브스카이트 태양전지에는 발생된 전기가 외부로 흐를 수 있게 하는 정공수송층이 들어간다. 정구조 정공수송층에는 전기 운반 효율을 높이기 위해 리튬염, 리튬염이 잘 녹도록 돕는 첨가제가 사용된다. 문제는 첨가제가 덥고 습한 실제 작동 환경에서 증발하면서 태양전지를 구성하는 막 사이에 불필요한 틈을 형성한다는 점이다. 이 틈은 막 접합 부위 결함을 발생시켜 태양전지의 수명을 떨어뜨린다.
또 덥고 습한 환경으로 인해 리튬염에서 분리된 리튬 이온이 태양전지 내부에서 무분별하게 이동하며 태양전지 수명을 더욱 짧아지게 한다. 그러나 아직 리튬염과 첨가제를 사용하지 않거나, 다른 물질로 완전히 대체해 효율을 높이는 방법은 개발되지 않았다.
이를 극복하기 위해 연구진은 필요한 화학 반응만 유도하고, 반응이 끝나면 리튬 이온을 촉매째로 걸러내는 '촉매 반응 후 필터링 추출 공정'을 개발했다.
개발 공정 핵심은 산화니켈 촉매다. 산화니켈 분말을 정공수송층 제조 용액에 넣으면 두 물질 간 반응으로 산화니켈 표면이 리튬을 강하게 끌어당기는 상태로 바뀐다. 이를 활용하면 기존 공정 단점이었던 첨가제 없이도 리튬염에서 리튬을 분리하고 산화니켈 표면에 붙일 수 있다.
또 연구진은 반응이 끝난 산화니켈 분말을 필터로 걸러내는 물리적 추출 공정도 적용했다. 입자가 큰 산화니켈 촉매가 필터에 걸러지면서 표면에 붙은 리튬 이온도 함께 걸러지는 공정이다. 이렇게 추출이 완료된 용액을 사용하면 성능 저하를 유발하는 첨가제, 리튬 잔류물, 산화니켈 촉매가 남지 않는 '무결점 정공수송층'을 제조할 수 있다.
연구진은 개발 공정을 바탕으로 페로브스카이트 태양전지를 제작하고 85도 고온과 상대습도 85% 고습 환경에서 내구성을 검증했다. 그 결과 1000시간이 지나도 초기 효율의 95%를 유지해 세계 최고 수준의 내구성을 증명했다.
또 첨가제를 활용한 기존 공정(25.21%)보다 높은 광전변환효율(25.24%)을 달성해 첨가제 없이도 효율 향상이 가능하다는 점을 입증했다.
연구를 주도한 안세진 책임연구원은 “이번 연구는 기존 페로브스카이트 제조 공정의 틀을 깨고, 필요한 반응만 촉매로 유도한 뒤 원인 물질을 걸러내는 새로운 공정을 제시했다는 데 의의가 있다”라며, “고질적인 수명 문제를 해결함으로써 페로브스카이트 및 탠덤 태양전지 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 '어드밴스드 사이언스' 5월호 표지논문으로 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
