 ‘페로브스카이트’ 차세대 태양전지 상용화 앞당겨 UNIST, 첨가물 바꿔 핵심소재 기술 확보
태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기술인 태양전지 기술은 과거에는 실리콘을 주 원료로 사용했지만 제조공정이 복잡하고 생산단가가 비싸 대량보급에 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 소재에 주목하고 있는데, 차세대 태양광 에너지의 새로운 소재로 떠오르고 있는 것이 바로 페로브스카이트다. UNIST가 첨가물을 바꾸는 방식을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심소재 기술을 확보했다고 밝혀 그 연구자료를 소개한다.
정리 편집부 | 자료제공 UNIST
하이브리드 소재로 생산단가 낮아
태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용될 정도로 가장 많이 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 태양빛을 전기로 전환하는 효율이 20%로 성능은 좋지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 비싸다는 단점이 있다.
현재 개발된 태양전지의 종류에는 염료 감응형과 유기형이 있다. 염료 감응형 태양전지는 투명하게 만들 수 있어 창문 자체를 태양전기로 만들 수 있고, 유기 태양전지는 유연성이 좋아 웨어러블 기기로 만들 수 있는 장점이 있는 반면 효율이 15%로 낮다는 단점이 있다. 페로브스카이트는 유기와 무기 소재가 갖고 있는 장점을 가진 하이브리드 소재로 생산단가 면에서 실리콘 소재보다 최소 3배에서 8배 정도 낮출 수 있다는 이점이 있다. 페로브스카이트는 빛을 흡수하는 가장 뛰어난 물질로 알려져 있는데 LED 화면이나 X-ray를 만드는 곳에도 활용되고 있다. 2012년부터 본격적으로 연구된 ‘무기·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’는 짧은 기간에도 불구하고 상용화된 실리콘 태양전지와 박막형 태양전지의 효율에 가까운 높은 성능을 갖는다.
새로운 첨가물로 단점 개선
무르고 쉽게 녹이 생기는 ‘철’에 소량의 다른 금속을 첨가하면 단단하고 녹슬지 않는 ‘스테인리스 스틸(stainless steel)’이 만들어진다. 이처럼 새로운 첨가물을 이용해 ‘페로브스카이트(Peroveskite)’의 단점을 개선할 수 있는 기술이 개발되면 차세대 태양전지로 큰 주목을 받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 상용화를 앞당길 수 있다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀은 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들고, 이를 태양전지에 적용한 결과를 ‘사이언스(Science)’ 2019년 11월 7일자 온라인판에 발표했다. 이 자료에 따르면, 새로 개발한 소재는 첨가물을 바꾸는 것만으로 기존 페로브스카이트 태양전지보다 효율과 안정성, 내구성을 크게 높였다고 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만들기 때문에 저렴하고, 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있어 간편하다. 이러한 장점으로 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지 후보로 손꼽힌다.
태양전지의 핵심은 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는 ‘광활성층’이다. 이 부분이 얼마나 튼튼하고 안정적인지(내구성), 또 빛을 전기로 바꾸는 효율이 얼마나 높은지가 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 있어 관건이다. 페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰이는데, 이 부분의 안정성 강화와 효율 향상이 상용화를 위한 그간의 과제였다.
광활성층의 효율은 물질 원자 내 전자의 에너지 구조인 ‘밴드 갭(Band Gab)’에 의해 결정된다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어지므로, 광활성층인 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하다. 그런데 기존 광활성층의 경우 페로브스카이트 결정 구조가 바뀌지 않게 넣어주던 메틸암모늄(MA, Methylammonium)이나 브롬(Br) 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓혔다. 페로브스카이트 결정 구조의 안정성을 유지하려 한 선택이 광활성층의 효율을 낮추는 결과를 가져온 것이다. 심지어 메틸암모늄은 광활성층의 내구성도 떨어뜨린다는 문제가 있었다.
광활성층의 안정성과 효율성 높여
이런 문제를 극복하고자 연구팀은 브롬과 메틸암모늄을 대신해 다른 ‘2가 유기 양이온’(메틸렌다이암모늄, MDA)을 첨가했다. 새로운 첨가물은 결정구조를 안정적으로 만들면서 효율도 유지해 광활성층의 안정성과 효율성을 동시에 잡을 수 있었다.
이번 연구의 제1저자인 민한울 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “페로브스카이트 물질의 내구성을 위해 주로 첨가하던 물질(1가 양이온)이라는 고정관념에서 벗어난 시도가 좋은 결과로 이어진 것”이라고 연구 성과를 밝혔다. “2가 유기 양이온을 첨가한 페로브스카이트의 효율은 23.7%였고, 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동했다”고 설명했다.
각광받는 소재 FAPbI3
연구팀은 오래 전부터 페로브스카이트 태양전지 분야의 연구에 주력해 왔는데, 2012년 초부터 페로브스카이트 태양전지 연구를 수행해 왔다. 2012년에 Nature Photonics 지에 오늘날 연구의 모형이 된 새로운 “무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플렛폼 구조 기술”을 소개했으며, 2014년에는 Nature Materials 지에 “극도로 균일한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 용액 공정 기술”에 대한 연구성과를 추가적으로 밝혀 세계의 페로브스카이트 태양전지 기술 연구에 앞장서 왔다.
또한 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불리는 20%를 처음 넘긴 것은 물론 최고 효율을 스스로 네 차례나 경신해 왔다. 페로브스카이트 태양전지와 관련해 사이언스에 보고한 논문도 이번 연구를 포함해 5편에 이른다.
태양전지로 사용되는 페로브스카이트 할로겐화물 물질에서 가장 각광받고 있는 소재는 FAPbI3이다. 이는 태양광 흡수에 적합한 밴드갭(band-gap), 높은 열 안정성을 가졌기 때문이다. 하지만 FAPbI3는 상온에서 낮은 상안정성 때문에 이를 보완할 수 있는 안정제를 넣어야 했다. 이를 해결하고자 FAPbI3를 MAPbBr3로 부분 치환한 것이 본 연구진이 앞서 Nature 지에 보고했던 연구의 주된 내용이다.
위 조성은 FAPbI3의 상을 효과적으로 안정화하여 페로브스카이트 태양전지에 가장 많이 쓰이는 조성이 되었다. 하지만, 위 조성에 들어가는 메틸암모늄(MA)은 열에 불안정하고, 브로민(Br)은 원치 않는 밴드갭 변화를 가지고 와, 태양광 파장대역을 감소시킬 수밖에 없었다. 따라서 FAPbI3의 밴드갭 변화를 최소화하면서 안정한 페로브스카이트 소재 개발은 매우 중요한 과제였다.  [그림 1] 첨가물을 통한 흡수 파장영역대 및 광전류 밀도 증가(A: 본 연구에서 제조한 소재와 기존 소재 사이의 파장에 따른 양자 효율 비교. MDA를 첨가한 전지의 태양광 흡수 파장영역대 증가했다. B: 광전류 밀도 증가를 보이는 J-V 커브)
메틸렌다이암모늄 2가의 유기 양이온
현재까지 보고된 내용으로 본 연구진은 FAPbI3의 상을 안정화시키는 요소 중 하나는 유기 (organic) 물질에서 질소 (N)과 결합하고 있는 수소 (H) 원자와 요오드 (I-) 이온에 의한 수소결합이 큰 기여를 한다고 추정했다. 이 수소결합은 유기 물질의 수소 이온의 개수에 좌우되는 것으로, 더 많은 수소 원자를 가진 유기 물질을 사용한다면 FAPbI3의 상을 안정화시킬 수 있었다.
이에 연구진은 메틸렌다이암모늄(CH2(NH3)2, Methylenediammonium, MDA)라는 2가의 유기 양이온을 사용하였다. MDA는 FA와 크기가 비슷하여 FA 자리에 부분 치환되며 FA 그리고 MA보다 많은 수소 원자를 가지고 있어 FAPbI3의 상을 효과적으로 안정화시켰다. 이에 따라 광대역 확장에 따른 광흡수 효율 향상 외에도 기존 소재에 비하여, 열, 광 및 수분 안정성이 크게 향상되었다.
특히, 현재 고효율/고내구성 페로브스카이트 태양전지 제조에 사용하는 페로브스카이트 소재는, 본 연구그룹이 2015년 Nature 지에 보고한 CH(NH2)2PbI3 (Formamidinium(FA) lead iodide, FAPbI3) 기반에 CH3NH3PbBr3(Methylammonium lead bromide, MAPbBr3)를 부분 치환한 조성을 사용하여 온 것으로 알려졌다.
그러나 이 소재는 내구성이 낮은 CH3NH3(MA) 양이온과 밴드갭이 넓어져 광흡수에 불리한 Br 이온을 포함하고 있다. 따라서 소위 MA-free, Br-free한 새로운 조성을 찾기 위한 여러 노력이 있었지만, 우수한 결과를 얻지는 못하였다. 따라서 본 연구에서는 FA와 이온 반경이 유사한 2가의 유기 양이온을 첨가하는 방법으로 이 문제를 해결할 수 있었다.
이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓혔다. 이를 통해 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시키면서도 열·광·수분 안정성을 크게 향상시켰다.
석상일 교수는 “논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행해, 이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것”이라고 전망하며 “UNIST 창업기업인 ‘프론티어에너지솔루션㈜와 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓게 하여 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시키면서, 열/광/수분 안정성도 크게 향상된 소재 제조 기술이다. 연구진은 조만간 실리콘 태양전지의 효율을 뛰어넘을 수 있는 ‘소재 기술’이라는 점에서 이번 연구의 의미를 밝혔다.
참고로 이번 연구는 미래창조과학부 리더연구사업, 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐다.  [그림 2] 기존 소재와 비교한 새로 개발된 페로브스카이트 태양전지의 안정성 비교(A: 수분 안정성, B: 열 안정성, C: 광 안정성)<Energy News>
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