페로브스카이트 태양전지 산업, 면적과 수명 개선에 달렸다

실리콘 태양전지를 대체할 후보, 페로브스카이트 태양전지

상용화를 위해 대면적화에 대한 연구가 활발해야

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 페로브스카이트란 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 결합해 만들어진 3차원 결정 구조로 보통 양이온 자리에는 각각 유기물과 무기물이 들어가며 음이온 자리에는 할로젠화물이 들어간다. 페로브스카이트를 사용한 태양전지는 현재 가장 많이 사용되는 실리콘 태양전지를 대체할 후보로 떠오르고 있다. 실리콘 태양전지는 이미 효율적인 측면에서 20% 중반대에 그치는 한계에 다 달았으며 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.

2017년 6월, UNIST 석상일 교수와 노준홍 화학연 겸임연구원, 김은규 한양대 교수는 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 감소시키는 할로겐화물의 결함을 발견하고 이에 대한 해결책까지 제시했다. 페로브스카이트 박막에서 사용되는 할로겐화물은 요오드 이온 (I-)으로 박막을 제조하는 과정에서 요오드 이온이 불안해질 수 있다. 연구진은 일반적인 2개의 요오드 이온 형태가 아닌 3개의 분자를 결합한 형태로 (I3-) 만들어 박막의 내부 결함이 줄어들었다. 

페로브스카이트만 사용하는 것이 아닌 기존 실리콘 태양전지를 활용해 탠덤형 태양전지를 제작하는 연구도 진행하고 있다. 페로브스카이트 층과 실리콘 층을 접합해서 만드는 탠덤형 전지는 최대 효율 35%까지 향상될 수 있을 거라고 예상한다.

이외에도 단점을 보완하려는 연구도 계속 진행되고 있다. 페로브스카이트는 유독 수분에 취약한 단점이 있다. ‘염기성 증기 확산법’을 사용해 페로브스카이트 표면에 수산화납 (Pb(OH)₂) 보호막을 형성하거나 자가치유소재를 활용해 페로브스카이트의 태양전지를 유연성 보존 및 수분과 접촉을 막는 봉지를 형성하는 등 다양한 시도들을 하고 있다. 그리고 페로브스카이트 태양전지에서 무기물 자리에 납을 사용하는데 납 중독을 일으키기 때문에 이를 대체할 소재로 주석 (Sn)을 대체하려는 시도가 있었지만 효율성에서 문제가 있기 때문에 납의 단점을 보완할 더 많은 연구가 진행되어야 한다.

현재 전 세계에서 가장 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지는 UNIST 석상일 교수팀이 2021년 10월 국제학술지 Nature에 발표한 태양전지로 광전환 효율 25.7%이다. 

그러나 우리나라는 아직 우리나라는 일본, 중국, 호주가 페로브스카이트 태양전지 기술 경쟁에서 밀리고 있다. 우리나라는 태양전지의 대면적화와 수명 개선에 연구를 집중적으로 해야 한다.

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 초래하기 때문이다 

일본 기업인 파나소닉은 804cm²의 크기를 가진 페로브스카이트 태양전지를 제작했으며 효율이 17.9%으로 현재까지 대면적 기록 중 최고 효율이다. 중국과 호주 역시 매섭게 쫓아가고 있다.

한국은 아직까지 대면적화에서 뒤처지고 있다. 김동석 울산차세대전지연구개발센터장 연구팀은 2022년 1월 19일 넓이가 25 cm2와 64 cm2인 페로브스카이트 태양전지를 제작해 각각 21.6%, 20.55%의 광전환 효율을 기록했다. 김 센터장은 “논문에 담지는 못했지만 자체적으로 200㎠ 넓이의 대면적으로 만들어 측정했을 때도 18% 이상의 효율을 보였다”라고 말했다. 이번 연구는 전자수송층 구조를 바꾼 것이었다.

양창덕 UNIST 에너지화학공학과 교수도 2022년 1월 17일 자에 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층 유기 소재를 새롭게 개발해 25 cm2 면적에서 21.83의 효율을 기록했고 이를 국제 학술지 Nature Photonics에 게재했다. 

현재 페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 문제는 수명이다. 2021년 4월, 김동석 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 상용화하는 데에는 아직 큰 어려움이 있다.