[위즈덤 에너지] 페로브스카이트의 태양전지 활용에 관하여
[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 페로브스카이트는 1837년 광물학자 레프 페로브스키가 러시아 우랄 산맥에서 처음 발견된 광물에 붙여진 이름으로 CaTiO3 구조를 가졌으며 이후에 이와 같은 유형의 구조를 가리키는 용어로 사용되고 있다. 페로브스카이트는 ABX3의 구조를 지닌 물질로 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 차세대 태양전지의 핵심 소재로 떠오르고 있다. A는 유기 양이온의 자리로 보통 메틸 암모늄 (methyl ammonium), 에틸 암모늄 (ethylammonium) 등이 들어간다. B는 무기 양이온의 자리로 납이 가장 흔하게 쓰인다. X는 음이온의 자리로 브로민, 아이오딘과 같은 할로젠 원소가 들어간다.
페로브스카이트의 장점 중 하나는 유연성이다. UNIST 김주영 송명훈 교수 연구팀은 패널의 유연성 예측이 가능할 정도로 정확한 페로브스카이트 박막의 물리적 특성 분석과 투명전극 소재 최적화를 통해 유연성을 극대화했다.
페로브스카이트의 유연성은 웨어러블 디바이스에 활용될 수 있으며 자동차, 건물 등 굴곡이 있는 표면에도 페로브스카이트 태양전지를 설치할 수 있는 장점이 있다. 또 다른 장점은 페로브스카이트에 사용되는 재료들의 비율을 조절해 빛을 흡수하는 파장대를 적절히 바꿀 수 있다. 실리콘 태양전지는 보통 붉은 계열들의 가시광선을 흡수하지만 페로브스카이트는 사용되는 소재와 비율에 따라 파장대를 바꿀 수 있다. 효율성을 극대화하고자 페로브스카이트를 활용해 실리콘과 합쳐 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지를 제작한다. 페로브스카이트는 파장이 낮은 빛을 흡수하는 반면 실리콘은 파장이 긴 빛을 흡수해 최대한 태양빛으로부터 많이 흡수해 효율성을 높일 수 있다.
페로브스카이트의 가장 큰 단점은 수분에 취약해 성능이 급격하게 떨어진다는 것이다. 페로브스카이트의 유기 양이온은 흡습성이 강하며 물의 수소 이온과의 반응으로 인해 페로브스카이트가 분해된다. 이로 인해 페로브스카이트의 구조가 망가지게 되면서 효율성이 급격하게 낮아진다. 수분에 대한 단점을 보완하고자 나온 대표적인 대안은 페로브스카이트와 수분과의 접촉을 막고자 봉지기술 (encapsulation)을 사용하는 것이다. 페로브스카이트를 코팅해 층을 아예 덮어 수분과의 접촉을 최소화하는 것이다. 2018년 9월 17일, UNIST 김광수 교수와 그의 연구팀은 수분과의 접촉을 최소화하고자 페로브스카이트에 방수막을 만드는 합성법을 개발했다. 연구진은 염기성 증기 확산법을 사용해 페로브스카이트에 수산화납 보호막을 씌웠다. 페로브스카이트의 재료 (할로겐화 납)를 산성 용액에다 넣고 염기성 용액 (메틸아민)이 담긴 유리병에 넣으면 메틸아민이 증발하게 되면서 페로브스카이트가 형성되고 표면에 수산화납이 써진다. 이처럼 페로브스카이트의 단점을 보완하고자 많은 노력과 시간이 쏟아지고 있다.
페로브스카이트의 또 다른 단점으로 납의 중독성이다. 아직까지 납의 확실한 대체자가 없으며 페로브스카이트를 형성하는데 납이 거의 필수적으로 들어가기 때문에 납만큼 좋은 효율을 가지면서 위험성이 없는 대체 소재가 나와야 한다. UNIST 권태혁 교수와 그의 연구진은 납 없는 페로브스카이트를 제작했다. 납 대신 주석을 사용하는 Cs2SnI6이 무기 양이온 자리에 들어갔으며 납을 대체할 수 있는 가능성에 큰 의의를 두고 있다.
페로브스카이트를 사용한 태양전지는 현재 가장 많이 사용되는 실리콘 태양전지를 대체할 후보로 떠오르고 있다. 실리콘 태양전지는 이미 효율적인 측면에서 20% 중반대에 그치는 한계에 다달았으며 섭씨 1000도 이상의 고온에서 공정이 가능하기 때문에 제조 과정이 복잡하다. 반면 페로브스카이트 태양전지는 값싼 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 쉽게 제조가 가능하며 UNIST 석상일 교수팀은 Hot-pressing 공법을 제안해 대량생산 공정이 가능하도록 연구했다. 현재 우리나라에서 페로브스카이트 태양전지에 대해 활발히 연구가 진행하는 중이며 효율 측면에서는 우리나라가 연구계를 주도하고 있다. 현재 전세계에서 가장 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지는 UNIST 석상일 교수팀이 2021년 10월 국제학술지 Nature에 발표한 태양전지로 광전환 효율 25.7%이다.
그러나 우리나라는 아직 우리나라는 효율성을 제외한 일본, 중국, 호주과 페로브스카이트 태양전지 기술 경쟁에서 밀리고 있다. 우리나라는 태양전지의 대면적화와 수명 개선에 연구를 집중적으로 해야한다. 현재 우리나라의 대부분 고효율 페로브스카이트 태양전지들은 0.1cm2 크기로만 제작해왔다. 상용화를 하기 위해서 적어도 대면적이라 분류되는 200cm2 이상으로 제작 가능해야 한다. 면적이 넓어질수록 페로브스카이트 화합물이 균일하게 퍼지지 않아 광전환 효율이 떨어지는 결과를 초래한다.
또한 수명 역시 큰 문제점으로 잡히고 있다. 2021년 4월, 김동석 울산차세대전지연구개발 센터장은 포메이트라는 물질을 페로브스카이트 전체 비중의 2%를 첨가해 수명을 높인 연구 결과를 발표했다. 연구 결과는 박막봉지 없이 20%이하의 습도에서 섭씨 60도의 열을 가했을 때 1000시간 동안 안정성 유지 및 450시간 동안은 초기 효율의 80% 이상을 유지했다. 하지만 실리콘 태양전지의 수명이 15에서 17년 정도라는 점에서 아직 상용화 하는데에는 아직 큰 어려움이 있다.
[위즈덤 에너지] 기후위기로 더 이상 화석연료의 사용이 어려워진 가운데, 신재생 에너지는 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 미래를 이끌 학생들에게 에너지 발전 및 소비에 대한 정보를 쉽게 이해할 수 있도록 칼럼을 연재합니다. 위즈덤 아고라 김현동 기자의 ‘위즈덤 에너지’로 새로운 에너지 소식을 만나보세요.
