[더리포트] 한국화학연구원은 소속 페로브스카이트 태양전지 연구팀 (서장원 책임연구원, 신성식 선임연구원, 정재훈 전 박사후연구원)이 유연하면서도 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 저렴하고 간단하게 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

연구팀은 2019년 8월에 미국재생에너지연구소 NREL에 당시 세계 최고효율이었던 25.2%을 기록한 바 있다. 지금까지 NREL에 기록된 전세계 페로브스카이트 태양전지 기술 효율은 전부 딱딱하고 두꺼운 유리기판으로 만들어진 페로브스카이트 전지의 효율이었다.

미래 착용형(웨어러블) 기기, 건물, 자동차 등에도 활용을 넓히려면 유연한 형태의 태양전지가 필요한데, 연구팀은 이를 위해 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 유연한 페로브스카이트 태양전지는 유리기판으로 만드는 딱딱한 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 낮아, 지금까지 전세계적으로 논문에 보고된 효율은 20%를 넘지 못했다. 연구팀은 유연한 페로브스카이트 태양전지 효율로 세계 최고 수준인 20.7%를 달성했다.

페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 하는데, 이 경우 고온공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 지금까지 한계가 있었다. 연구팀은 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

연구팀은 태양전지를 구성하는 층 중에서, 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만드는 기술을 개발했다.

연구팀은 상대적으로 작은 주석산화물(SnO2) 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고, 그 위에 큰 주석 아연산화물(Zn2SnO4) 입자가 듬성듬성하게 있는 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었다. 이러한 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다.

구체적으로는, 전자수송층 위에 페로브스카이트 층이 올라가는데, 이 전자수송층의 울퉁불퉁한 구조에 영향을 받아 페로브스카이트 층 속 결정이 크고 고르게 자랄 수 있었다. 페로브스카이트 물질의 결정이 크고 고를수록 전자가 잘 이동할 수 있어 태양전지의 효율이 높아진다. 결정이 작으면 결정 사이의 경계면 흠 때문에 전자가 잘 이동하지 못할 수 있기 때문이다.

태양전지의 효율은 결국 빛을 받으면 전자가 얼마나 많이 잘 이동하는가에 달려있는데, 본 연구팀이 개발한 전자수송층을 통해 20.7% 효율을 달성했다. 또한 연구팀은 20x20 cm2의 대면적에서도 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현할 수 있었다.

이번 연구성과는 ‘Energy & Environmental Science, IF:33.250’ 11월호에 게재되었다.