송명관 재료연 박사팀 연구···생산비용 낮추고 효율 높여

인체에 해로운 납이나 값비싼 귀금속 전극 없이 대면적화가 가능한 태양전지가 나왔다.

재료연구소(소장 이정환)는 표면기술연구본부 에너지융합소재연구센터의 신종문 박사후 연구원, 송명관 박사 연구팀이 진성호 부산대 교수, 이준희 UNIST 교수 연구팀과 친환경 비스무스 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 3일 밝혔다. 

페로브스카이트는 사면체, 팔면체 또는 입방체의 결정구조를 갖는 물질이다. 구성 원자에 따라 강유전 특성, 초전도 현상과 같은 우수한 물리적 특성을 보이며, 이를 태양전지에 접목해 실리콘 태양전지보다 높은 23.3%의 전력 변환 효율을 나타낼 수 있다.

고가의 귀금속 전극 대신 카본 전극을 이용하여 제작된 비납 비스무스 페로브스카이트 모듈 사진.<사진=재료연구소 제공>
고가의 귀금속 전극 대신 카본 전극을 이용하여 제작된 비납 비스무스 페로브스카이트 모듈 사진.<사진=재료연구소 제공>
기존 페로브스카이트 태양전지는 광 활성층 물질로 효율이 높은 납을 사용하고, 태양전지 셀의 상부 전극으로 값비싼 귀금속 전극을 주로 사용한다. 귀금속 전극은 진공장비를 이용해 증착해 사용되기 때문에 대면적 증착이 어렵고 증착 속도가 느리다는 단점이 있었다.

태양전지는 빛을 받아 형성된 정공(+)을 전극으로 이동시켜주는 역할을 하는 홀(정공) 전도체를 사용한다. 이는 에너지 효율을 높이는데 도움이 되지만 수분이나 산소에 노출되면 쉽게 부식되는 등 안정성이 낮아 대량 합성이 어렵고 공정이 복잡해 가격이 높았다.

이에 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 물질의 문제점인 유해성과 낮은 안정성 해결, 저렴한 재료를 사용해 상업화에 어울리는 태양전지를 제작하는데 주목했다.

이를 위해, 안정성이 떨어지는 홀 전도체 물질을 없애고 광 활성층의 밴드 갭을 줄여 효율을 높였다.

또한 귀금속 전극을 사용하지 않고 상대적으로 가볍고 전도성이 우수한 카본으로 대체해 롤투롤(Roll to Roll), 프린팅 공정 등을 통한 대면적 태양전지 제작을 가능하게 하고, 비스무스 페로브스카이트 소재의 구조 변화를 통해 효율을 향상시켰다. 

연구책임자인 송명관 재료연 박사는 "낮은 단가에 안정적인 태양전지를 제작할 수 있는 기술을 개발해 배터리와 같은 에너지 저장장치와 접목해 다양한 이동기기의 전원공급 장치로 사용 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 재료연의 주요사업과 한국연구재단의 '미래소재 디스커버리 사업'의 지원을 받았다.

연구 결과는 나노 소재, 에너지 분야 국제 학술지인 '나노 리서치(Nano Research)' 표지논문으로
선정됐다. 

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