[지금은 과학] 페로브스카이트 태양전지, 더 값싸게 만든다


건국대 연구팀, 페로브스카이트 수분 취약성 극복할 수 있는 공정 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 외부 공기를 차단한 글로브박스나 습도를 제어한 드라이룸이 아닌 사람들이 쾌적하다고 느끼는 정도의 일반 습윤환경에서도 페로브스카이트 태양전지 제작이 가능하다는 실마리가 나왔다.

엄격한 제조환경(드라이룸 혹은 질소 글러브박스)은 설비투자 비용을 높이는 요인으로 작용해 왔다. 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌 중 하나였다. 일반 습윤환경에서도 제작이 가능하면서 더 값싸게 관련 전지를 만들 수 있게 된 셈이다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘이 아닌 페로브스카이트(유·무기 양이온 혼합)물질을 광흡수층으로 사용하는 태양전지를 말한다. 간단한 용액법으로 제작할 수 있는데다 이제는 실리콘 태양전지에 버금가는 효율(현재 최고효율 기록은 25.5%)까지 달성해 기대를 모으고 있다. 하지만 대면적화와 장기안정성(수명) 확보, 제조설비 등이 상용화의 과제로 남아있다. 특히 유기물을 포함하고 있는 물질의 특성상 수분에 극도로 취약한 문제를 해결해야 한다.

한국연구재단은 이만종 교수(건국대) 연구팀이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 일반 습윤 대기 환경(상대습도> 40%)에서 제작할 수 있는 새로운 반용매 세척법을 개발했다고 6일 발표했다.

페로브스카이트 결정을 얻는데 널리 사용되는 반용매 세척법을 이용했다. 습윤환경 조건에서 반용매 세척 용매를 달리해 페로브스카이트 박막을 합성했다. [사진=한국연구재단]

반용매 세척(anti-solvent washing)은 페로브스카이트 물질이 녹아있는 용액(전구체)에서 용매만 휘발시켜 페로브스카이트 박막을 얻는 과정에서, 용매의 반대특성을 가진 반용매를 분사해 휘발과정을 조절하는 공정을 말한다.

이 공정은 습도가 엄격히 통제된 조건에서 이뤄지는데, 높은 습도에서는 전구체 용액이 수분과 결합하면서 고품질의 페로브스카이트 결정 형성을 방해하기 때문이다.

연구팀은 습도에 따른 영향을 상쇄하기 위해 서로 상보적인 낮은 증기압 특성과 낮은 끓는점 특성을 갖는 다이부틸에터와 다이에틸에터가 혼합된 반용매로 용매를 제거하는 공정을 개발했다.

기존 용매 제거에 쓰이던 클로로벤젠과 다이에틸에터가 습윤환경에서 빠르게 증발, 페로브스카이트 광활성층의 변형이나 스트레스를 초래하던 것을, 수분 접촉을 제한할 수 있는 다이부틸에터와 전구체 용액의 잔존 용매를 제거하는 다이에틸에터를 혼합한 반용매의 시너지효과로 극복한 것이다.

실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 습윤 대기 환경하에서 제작된 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율(22.06%)을 달성했다. 또한 제작된 페로브스카이트 태양전지를 습윤조건에 지속적으로 노출시켰을 때, 1천200시간 후에도 초기 성능의 94% 이상 유지되는 것을 확인했다.

나아가 연구팀은 페로브스카이트 박막 제작과정에서 수분과의 반응이 박막 표면에 요철을 발생시키며 이 요철로 인한 전하이동도 저하가 태양전지 효율 감소로 이어지는 것을 규명해 냈다.

이만종 교수는 “엄격히 조절된 환경 제약에서 탈피해 습윤 환경조건에서도 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현이 가능함을 제시함으로써, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구결과(논문명: Ambient-air fabrication of stable mixed cation perovskite planar solar cells with efficiencies exceeding 22% using a synergistic mixed antisolvent with complementary properties)는 에너지·소재 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 지난 7월 30일 자 온라인에 실렸다.

/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)







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