▲ 새로운 음극 중간층(PDINN) 도입을 통한 주석 페로브스카이트 태양전지 성능 향상 개요(출처: 한국화학연구원)

국내 연구진이 독성 금속인 납을 빼고 주석을 주원료로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상시켜 친환경 차세대 태양전지 분야 기술 경쟁력을 높일 전망이다.

한국화학연구원(원장 이영국) 송창은 박사 연구팀은 최근 고려대학교(총장 김동원) 임상혁 교수, 성균관대학교(총장 유지범) 정재기 교수, 케냐 나이로비대학교 Elijah Omollo Ayi 교수 연구팀과 공동 연구를 통해, 주석 기반 페로브스카이트 태양전지에 중간층을 도입하거나 첨가제를 넣어 효율과 안정성을 개선하는 기술을 논문으로 발표했다고 12월 1일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 경제성 덕분에 차세대 태양전지로 유망하다. 페로브스카이트는 특정한 구조의 물질을 모두 포함하는 용어인데, 특히 납이나 주석으로 만든 페로브스카이트 구조 결정은 빛을 전기로 바꾸는 특성이 우수하다. 두 재료 중 납은 효율이 더 높지만 독성으로 인한 잠재적 위험성이 있고, 주석은 친환경적이나 효율이 낮다는 한계가 있다.

그 중 주석 페로브스카이트 태양전지의 경우 주석 이온(Sn²)이 공기 중 산소와 만나 쉽게 산화되는 큰 문제가 있다. 이는 결함으로 이어져 안정성을 낮추고, 전하 이동을 방해해 빛-전기 변환 효율도 저하된다. 연구자들은 전하 이동을 높이는 물질로 10.1%의 효율을 얻거나, 결함감소용 첨가제를 넣어 12.2%로 높이는 등 다양한 시도를 하고 있다.

이번 송창은 박사 연구팀은 논문 2건을 발표하며 새로운 기술을 접목하여 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 안정성을 높였다.

2월 논문에서는 태양전지 전극과 전자 수송층 사이에 중간층으로 ‘페릴렌 디이미드’ 소재를 추가해 개선했다. 중간층이 할로겐 및 금속 이온 이동을 막는 한편, 구리 전극과 전자 수송층 간 차이가 나는 에너지 격차 장벽을 줄여줘 전자 이동이 원활해지도록 도와줬다.

또한 그동안 밝히지 못했던 구리 전극 금속 원자의 전지 내부 침투 문제, 페로브스카이트 층에서 할로겐 이온의 불안정한 이동 문제를 극복해 성능 및 안정성을 제어한 최초의 사례라는 점에서 의미있다.

10월 논문에서는 2월 논문 기술과 함께, 페로브스카이트 필름층에 ‘어븀 염화물(ErCl3)’도 첨가했다. 첨가제는 주석이 산화되는 것을 방지하는 역할과 함께, 액체 상태의 페로브스카이트가 필름으로 굳을 때 균일하고 큰 결정 생성을 통해 결함을 줄이고 전자 이동을 도와줬다.

기술 평가 결과 2월 논문에서는 13.05%의 광-전 변환 효율과 1천 시간 후 초기 성능의 80%를 유지했으며, 10월 논문에서는 효율 14.0%, 1,300시간 후 80% 상태를 유지하는 등 거듭 성능을 높이고 있다.

실용화를 위해선 추가 성능 개선과 함께 대규모 생산 시 성능 유지, 외부 환경에서 고온·습기·자외선에 대한 장기 안정성 검증이 필요하다.

연구진은 “화학연이 보유한 세계 최고 수준의 납 기반 페로브스카이트 태양전지 소재·소자·공정 기술 노하우를 바탕으로, 이번 성과가 주석 기반 차세대 기술 개발의 전환점이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 또한 화학연 이영국 원장은 “친환경 차세대 태양전지 분야 기술 경쟁력을 높이고, 미래 시장 선점에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.