▲ DHA가 도입된 P3HT 기반의 페로브스카이트 태양전지는 미국 공인 인증기관인 Newport Co.에서 22.7%의 전력변환효율 인증을 받았다.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 획기적인 연구결과를 발표했다.

한국화학연구원은 화학소재연구본부 서장원 박사팀이 신개념 페로브스카이트 박막 기술 DHA(이중층 할로겐화물) 개발에 성공했으며 이를 통해 페로브스카이트에서 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층으로 사용하는 ‘전도성 상용 고분자’의 활용을 극대화했다고 28일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운데다 제작원가는 평균 5배 저렴하여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.

서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 기술을 선도하고 있는 가운데, 2017년 10월 NREL 차트에 22.7%의 인증 효율을 등재한 바 있으며 이번에 상용화 방법을 제시한 것이다.

페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌 중 하나인 기존 정공수송소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제가 필요한데다, 안정성도 취약했다. 또한 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 정공수송소재로는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16%(단위소자 기준) 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.

이를 해결하기 위해 한국화학연구원 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. P3HT와 페로브스카이트를 강하게 결합시키기 위해 페로브스카이트 박막계면에 HTAB을 도포함으로써 HTAB의 알킬체인과 P3HT의 알킬체인을 지퍼처럼 맞물리게 한 것이다.

그 결과, 새로 형성된 할로겐화물 박막에 의해 페로브스카이트 계면의 물리적·전기적 특성이 향상되고, P3HT의 자기조립을 바탕으로 정공수송효과가 극적으로 높아졌다.

또한 기존 정공수송소재는 정공수송능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 필수적으로 쓰였는데, 이는 수분에 취약한 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 치명적 문제를 일으켰다. 이번 연구에선 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해, 이 같은 문제를 해결했다.

또한 연구진이 개발한 기술은 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 장기안정성과 대면적화 모듈 적용에서도 우수한 결과를 보였다. 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1,000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했으며 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1,300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95%이상의 성능을 유지했다. 0.1㎠ 크기에서 확인한 기술을 25㎠ 크기의 대면적 모듈에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준의 고효율인 16%를 기록했다.

서장원 화학연구원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서 “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상과 함께 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다.

한편 이번 연구성과는 과학분야 최고 권위지인 ‘네이처(IF=41.577)’에 3월28일자(현지기준)로 게재됐다.