▲ 극성 비양자성 용매를 이용한 페로브스카이트 태양전지 재활용 과정 및 효과.

국내 연구진이 수명이 다한 유무기 페로브스카이트 태양전지 소자를 안전하고 효율적으로 상온에서 재활용하는 공정을 개발하였다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 지난 13일 정현석 성균관대학교 교수팀이 비양자성 극성 용매를 통해 납이 함유된 페로브스카이트 광 흡수층을 쉽게 제거하고, 소자의 투명 전도성 기판 및 금속 전극을 효율적으로 재활용이 가능함을 밝혔다.

현재 페로브스카이트 흡수층의 원재료가 저렴하고 상압 공정이 가능하여 페로브스카이트 태양전지 모듈 가격은 실리콘 태양전지모듈보다(약약 $ 0.6~1.0 / Wp)저렴한 $0.2/ Wp로 예상되고 있지만 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 투명 전도층 (FTO, ITO 등), 전자 이동층 (TiO2 등), 금속 전극 (Ag, Au)은 상대적으로 비싼 물질로 구성되어 있다

이러한 물질들은 페로브스카이트 태양전지 제작에 필요한 원재료비의 98%를 차지하면서 페로브스카이트 태양전지 모듈의 가격을 높이는 원인으로 작용한다.

또한 수명이 다한 페로브스카이트 태양전지를 폐기하는 과정에서 광 흡수층에 함유된 납(Pb) 성분이 인체와 환경에 나쁜 영향을 미칠 우려가 있었다.

이에 정현석 교수팀은 극성 비양자성 용매를 이용하여 광 흡수층에 함유된 납을 안전하게 99.99% 이상 제거하는 공정을 개발했다.페로브스카이트 태양전지를 극성 비양자성 용매에 넣으면, 수 초 이내에 재사용 가능한 태양전지 기판과 금속 전극이 분리됨을 확인하였다.

이러한 결과는 페로브스카이트 광 흡수층의 뼈대를 형성하는 팔면체의 PbI6의 납(Pb)과 공명 구조를 가진 극성 비양자성 용매 사이 반응에 의한 것이다.

또한 위와 같은 세척 공정을 거쳐 광 흡수층이 제거된 투명 전도성 기판을 재활용 할 수 있음을 밝혀냈다.

이는 세척된 투명 전도성 기판을 사용하여 태양전지 소자 제작 시 효율이 100% 가까이 유지되는 점에 따른 것으로, 세척 후 광학적·결정학적으로 기판을 분석하여 그 특성이 유지됨을 확인하였다.

정현석 교수는 “용매를 통한 상온에서의 간단한 세척 공정을 이용하여 페로브스카이트 태양전지의 환경적인 문제를 해결하고 경제성을 높일 수 있는 새로운 방안을 제시하였다”고 이번 연구의의를 설명했다.

한편, 해당 연구 성과는 미래창조과학부 기초연구실지원사업의 지원을 받았으며 본 연구결과는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 5월 23일자로 게재되었다.