선루프에 설치하는 태양전지 핵심 소재
선루프에 설치하는 태양전지 핵심 소재
  • 함예솔
  • 승인 2020.10.16 03:10
  • 조회수 384
  • 댓글 0
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건물 외벽이나 차량 선루프에 태양전지를 붙여서 전기에너지를 얻는 시대가 성큼 다가왔습니다. 핵심 기술인 페로브스카이트 태양전지의 발전 효율과 안정성을 동시에 끌어 올릴 수 있는 방법을 찾았기 때문입니다. 이 기술은 <Science>에 게재됐습니다.

개발된 페로브스카이트 광활성층의 내부 구조(결정 구조)와 페로브스카이트 태양전지 작동 원리. 출처: UNIST
개발된 페로브스카이트 광활성층의 내부 구조(결정 구조)와 페로브스카이트 태양전지 작동 원리. 출처: UNIST

광활성층 미세구조 변형 최소화 하는 방법

 

UNIST 에너지화학공학과 석상일 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 광활성층의 미세 구조 변형을 최소화해 발전 효율과 안정성을 모두 잡을 수 있는 기술을 개발했습니다. 광활성층을 구성하는 입자(이온)간 크기를 고르게 맞춰주는 새로운 방법으로 내부 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 발생하는 문제점을 해결했습니다. 이 물질을 쓴 석 교수팀의 페로브스카이트 태양전지는 논문으로 보고된 최고 효율인 25.17%의 발전 효율을 기록했습니다. 

페로브스카이트의 구조. 출처: Wikimedia commons
페로브스카이트의 구조. 출처: Wikimedia commons

페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 건물 외벽이나 주행하는 차량에 설치할 수 있습니다. 햇볕이 내리쬐는 각도(입사각)에 영향을 덜 받고 가볍기 때문입니다. 게다가 저온에서도 쉽게 제조할 수 있습니다. 페로브스카이트 태양전지가 상용화된다면 재생에너지의 패러다임을 바꿀 수 있는 이유입니다. 

 

페로브스카이트 태양전지 전지 상용화에서 제일 중요한 과제는 안정성과 효율을 모두 갖춘 광활성층 소재를 개발하는 겁니다. 광활성층은 태양광을 받아 전하(전기) 입자를 만들고 이를 전극으로 보내는 중요한 역할을 합니다. 이때 물질 내부 미세 구조에 결함(vacancy)이 많으면 전하 입자 전달 효율이 떨어지는 문제가 있습니다. 결함에서 전하 입자가 사라지기 때문입니다.

  • 결함

규칙적인 원자나 이온 배치를 갖는 물질(결정)에서 원자 배열이 삐뚤어지거나, 원래 원자가 있어야 할 위치에 원자가 없거나(vacancy), 또는 그 위치를 다른 물질 원자가 차지하고 있는 경우를 결함이라 합니다.

석상일 교수팀은 광활성층인 페로브스카이트를 구성하는 이온의 종류와 비율을 바꿔 내부 결함을 줄이고 화학적 안정성을 높였습니다. 결함의 주요 원인을 이온 크기가 서로 맞지 않아 발생하는 구조적 변형이라고 봤기 때문입니다. 크기가 큰 이온이 여러 개 있으면 내부의 미세 구조가 틀어지거나 기울어져 결함이 생기는 겁니다. 마치 건축물의 철골 구조가 비틀어지거나 기울어지면 특정 부분이 파손되는 것과도 같습니다. 또 이 구조적 변형은 물질에 결함을 많이 만들 뿐만 아니라 물질을 불안정하게 하고 전하 전달도 방해합니다. 

이온 조성과 비율에 따른 전지 성능. (A) Cs, MDA 첨가 비율에 따른 광전지 효율인자들의 변화, (B) 광전류 밀도는 유지하면서 향상된 개방회로전압을 보이는 J(전류밀도)-V(전압) 커브. 출처: UNIST
이온 조성과 비율에 따른 전지 성능. (A) Cs, MDA 첨가 비율에 따른 광전지 효율인자들의 변화, (B) 광전류 밀도는 유지하면서 향상된 개방회로전압을 보이는 J(전류밀도)-V(전압) 커브. 출처: UNIST

개발된 페로브스카이트 소재는 내부의 압력과 변형이 완화돼 구조적 안정성을 얻었을 뿐만 아니라 결함이 적어 전지가 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율이 높습니다. 이를 통해 25.17%의 높은 효율(공인 인증 효율 24.44%)을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 얻을 수 있었습니다.

기존 소재와 본 연구에서 설계된 소재로 제작된 페로브스카이트 태양전지의 안정성 비교. (A) 85℃ 열 안정성, (B) 150℃ 열 안정성, (C) 광 안정성. 출처: UNIST
기존 소재와 본 연구에서 설계된 소재로 제작된 페로브스카이트 태양전지의 안정성 비교. (A) 85℃ 열 안정성, (B) 150℃ 열 안정성, (C) 광 안정성. 출처: UNIST

석상일 교수는 "페로브스카이트 구조와 물질에 관한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 광활성층 소재를 개발할 수 있었다"며 "소재 원천 기술을 확보했다는 점에서 향후 차세대 태양전지 시장에서 기술적 우위를 점하는 데 기여할 뜻깊은 연구"라고 설명했습니다. 

석상일 교수. 출처: UNIST
석상일 교수. 출처: UNIST

한편, 석 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 분야의 흐름을 세계적으로 선도하고 있습니다. 석 교수는 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 것은 물론 최고 효율을 스스로 다섯 차례나 경신한 이력을 가지고 있으며, 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있습니다.  


##참고자료##

 


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