태양전지 성능 높아졌다 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 페로브스카이트 태양전지의 발전 효율과 내구성을 높이면서 만들어지는 전지마다 성능도 균일하게 유지하는 기술이 개발됐다. 균일한 막을 입히는 게 해법이었다. 고효율 태양전지를 대량 생산하는 데 청신호가 켜졌다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕·신소재공학과 최경진 교수팀은 특수 물질을 진공에서 휘발시켜 페로브스카이트 표면에 얇게 입힘으로써 태양전지 발전 효율과 내구성을 높였다.

페로브스카이트 태양전지의 페로브스카이트층과 전자수송층 사이에 패시베이션 물질이 입혀졌다. 패시베이션이란 재료의 표면에 얇은 보호막(보통 산화물 형태)을 형성해 외부 환경과 화학적 반응을 줄이고 부식이나 열화를 막는 기술과 현상을 일컫는다.

패시베이션 물질을 바르면 페로브스카이트층 상단의 결함 제거되면서 전자 손실이 줄어 태양광을 전기로 바꾸는 효율이 높아진다. 결함은 소재 손상이 시작되는 지점이기도 해서 전지 수명도 늘어난다.

패시베이션 물질을 진공에서 가열해 휘발시킨 뒤 기체 상태의 분자가 페로브스카이트 위에 바로 내려앉도록 하면 표면에 공급되는 물질의 양과 쌓이는 속도를 조절해 균일한 막을 만들 수 있다. 이 같은 진공 증착은 균일한 막을 만들기 위해 반도체 공정 등에서도 많이 쓰이는 공정이다.

관건은 휘발 속도를 잘 제어할 수 있는 물질 자체를 찾는 일이었다. 너무 쉽게 휘발되면 표면에 쌓이는 양을 조절하기 어렵고, 반대로 잘 휘발하지 않으면 더 높은 온도로 가열해야 해 물질 자체가 분해될 수 있기 때문이다.

연구팀은 패시베이션 물질 6종의 열 안정성과 휘발 특성을 비교해 ‘피페라지늄 다이아이오다이드(PDI)’를 선정했다. 이 물질을 초당 0.01나노미터씩 쌓자 용액으로 처리했을 때보다 분자들이 표면에 더 가깝고 고르게 붙어 결함에 따른 에너지 손실을 줄였다.

이 표면 처리 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 26.05%로, 같은 물질을 용액으로 처리한 전지의 25.43%보다 높았다. 페로브스카이트와 실리콘을 위아래로 쌓은 탠덤 태양전지도 33.09%의 높은 공인 효율을 기록했다. 각 12개 전지를 제작해 비교했을 때 전지 사이 효율 편차도 줄었다.

내구성도 향상됐다. 섭씨 65도에서 빛을 계속 비추며 작동시킨 시험에서 개발한 기술을 적용한 전지는 초기 효율의 90%를 유지하는 시간이 1005시간으로 용액으로 처리한 전지보다 약 55% 더 길어졌다.

이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 박지원·김지은 연구원, 신소재공학과 노영임 연구원이 제1저자로 참여했다. 박지원 연구원은 “패시베이션 물질의 휘발성을 하나의 설계 변수로 삼아 진공에서 휘발 속도를 안정적으로 제어함으로써 페로브스카이트 표면에 균일한 막을 만들 수 있었다”고 설명했다.

양창덕 교수는 “이번 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높이면서 전지 간 성능 편차도 줄일 수 있는 방법”이라며 “페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지에서도 33%가 넘는 인증 효율을 확보해 고효율 태양전지의 대면적·대량 생산에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과(논문명: Volatility-governed interfacial organization for low-loss perovskite tandems)는 친환경 에너지 화학 분야 저널인 에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 9월 1일 출판됐다.