▲ 국내연구진이 신규도펀트를 적용 및 레이저 식각 공정을 이용한 대면적 셀을 제작했다.

전 세계적으로 탄소중립의 대두로 인한 재생에너지 비중이 확대되는 가운데, 국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발해 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 전남중 박사 및 KAIST 서장원 교수 공동 연구팀이 기존 흡습성이 큰 도펀트를 대신해, 우수한 용해성을 가지는 이온성 액체 형태의 도펀트를 개발, 이를 통해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성을 동시에 확보했다고 2일 밝혔다.

도펀트(Dopant)는 물질(재료) 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물로써, 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 포함되어 전기전도도를 향상시키는 매우 중요한 역할을 한다.

연구팀은 신규 도펀트 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지 200㎠ 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 달성하였다. 활성면적 기준으로는 19.91%를 달성한 세계 최고 수준의 효율이다.

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있으면서도, 유연하고 훨씬 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 전세계적으로 각광을 받아 왔다.

현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 좁은 면적 (~0.1 cm2)에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이뤄져 왔다. 넓은 면적에 동일한 성능을 구현할 수 있어야 하며, 그에 따라 장시간 동안 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 기술 확보가 필수임에도 불구하고, 현재 이러한 안정성과 대면적화에 집중된 연구는 부족한 실정이다.

그동안 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 주로 사용되던 유기 단분자 소재(Spiro-OMeTAD)는 효율 확보에는 유리하나 열에 매우 취약했다. 반면 유기 고분자인 PTAA(폴리트리아릴아민)는 고온에서 안정하지만 효율을 극대화하기에는 한계가 있었다.

연구진은 도펀트를 도입했는데, 주로 사용되어온 리튬(Li) 등의 이온 염 기반 도펀트는 전도도를 향상시켜 효율을 증가시킬 수 있었지만 물과 매우 친한 성질을 지녀 물을 흡수하는 경향이 있었다. 이러한 수분은 페로브스카이트 층 및 정공 수송층을 장기적으로 분해해 성능을 저해시키는 단점이 있다.

이에 공동연구팀은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서, 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완해 효율 및 안정성을 획기적으로 향상하여, 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발해 200㎠이상의 대면적에 코팅할 수 있었다.

이를 통해 18.24%의 세계 최고 수준의 효율을 달성했고, 연속광조사 1,080시간 후 초기효율 대비 89% 이상, 85℃, 85% 조건 하에서 초기효율 대비 90% 이상을 유지할 수 있었다.

현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적의 세계 최고 효율 및 장기 안정성까지 확보하여, 저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것으로 전망된다.

연구팀은 관련 기술을 ’20년 국내 특허 출원 후 ’22년에 국내 특허 등록을 마쳤다. 이후 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료했으며, 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다.

공동연구팀 연구원은 “이번 기술 개발은 2030년까지 에너지 소비의 50%를 신재생에너지로 전환하는 ‘탄소중립 3050’의 핵심 역할을 수행해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 자립화에 선도적인 기여할 것으로 기대된다”고 전했다.

화학연 이영국 원장은 “소재 및 에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있기를 기대한다”라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘Energy Environmental Science’ 2023년 3월호 논문으로 게재됐다. 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 창의형 융합사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

▲ 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀 세계 최고 효율을 달성한 공동연구팀(左부터 KAIST 서장원 교수, 제1저자 김영웅 박사, 화학연 전남중 책임연구원)