[한국기술뉴스] 고려대학교 건축사회환경공학부 노준홍 교수팀은 서울대 기계공학부 최만수 교수팀과 함께 기존 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지 효율을 개선할 수 있는 새로운 고상 평면 성장 공정을 개발했다. 

할로겐화물 페로브스카이트 태양전지는 박막형 태양전지에 효율적이다. 미국 재생에너지 연구소(NREL)에 따르면 최고효율차트를 기준으로 25% 이상 효율을 보이고 있다. 페로브스카이트 단일접합 태양전지 이론적 한계효율에 80% 이상이 구현된 수치이다. 

기존 페로브스카이트 태양전지는 2차원/3차원 할로겐화물 이중층 구조를 기반으로 하고 있다. 초기 효율과 수분 안정성을 크게 개선했다. 다만 용액공정에 따른 계면반응으로 형성된 불안정한 상으로 열안전성에 한계가 있다. 

용액 기반 기술 문제를 해결하기 위해 공동연구진은 고상 2차원 할로겐화물 박막을 적용하여 용매를 전혀 사용하지 않는 SIG공정을 고안했다. 두 박막은 온전한 특성을 그대로 유지할 수 있는 2차원(2D)/3차원(3D) 이중층 구조이다. 

< SIG 기술의 시간에 따른 모식도 >

고려대-서울대 공동연구진이 이번에 개발한 SIG 기술로 제작된 페로브스카이트 태양전지는 성능과 안정성이 우수했다. SIG 기술로 제작한 태양전지는 상온 상대습도 85% 조건에서 1000시간 보관 후 초기효율 대비 97.3%의 성능을 유지하였다. 또한 실제 태양전지 구동 조건과 유사한 광 조사 환경에서 1600시간 작동 후 98%의 성능을 유지하는 장기 구동 안정성도 확보했다. 태양전지의 표준 안정성 평가 항목 중 하나인 내습-내열성 시험을 평가하였을 때, 초기효율 대비 95%의 성능 유지했다. 높은 열안정성은 SIG로 형성한 2D/3D 할로겐화물 이중층은 접촉면이 손상되지 않은 안정적인 계면이 형성되었기 때문이다.

< 온도 25도/상대습도 85%에서 평가한 비교군과 SIG가 도입된 태양전지의 수분 안정성 평가 >

노준홍 고려대 교수는 “페로브스카이트 태양전지는 최근 25% 이상의 높은 효율을 보이고 있으나, 페로브스카이트 광흡수 층의 표면을 용액으로 처리하는 기존의 고효율화 방법은 효율은 높일 수 있었으나 열안정성을 확보하기 어려운 큰 문제점이 있었다. 이번 연구에서는 용액을 전혀 사용하지 않고 안정한 물성을 그대로 유지한 할로겐화물간의 접합 구현을 통해 고효율을 달성하여 열안정성 문제 해결의 방향성을 제시했다.”고 그 의미를 설명했다. 

최만수 서울대 교수는 “글로벌 프론티어 사업단 내의 공동연구를 통해 개발한 본 기술은 페로브스카이트 태양전지의 고효율화와 안정성을 동시에 확보할 수 있는 혁신적 기술로서 새로운 신재생에너지 기술로 각광을 받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다.”고 말했다. 

또한 연구진은 “본 연구에서의 할로겐화물 간의 접합으로 내부에 형성되는 전기장의 설계가 가능함을 보인 점은 새로운 고효율 소자의 설계에 있어 기존의 이종물질간의 접합뿐만 아니라 할로겐화물 동종물질 간 접합의 가능성을 보여준 것에 큰 의의가 있다. 향후, 이상적 접합을 위한 할로겐화물 소재 탐색 및 소자 설계를 통해 고내구성을 갖는 고효율 소자 기술 도출이 기대된다.”고 의의를 설명했다. 

이와 같은 연구성과는 ‘Intact 2D/3D halide junction perovskite solar cells via soild-phase in-plane growth (고체상 평면 성장을 이용한 온전한 2D/3D 할로겐화물 접합 페로브스카이트 태양전지)’로 Nature Energy지에 1월 4일자에 게재됐다.