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태양전지, 친환경 페로브스카이트 이용해 생산 비용 낮추고 효율 높여

재료연구소, 값싼 재료로 높은 안정성 가질 수 있는 기술 개발

태양전지, 친환경 페로브스카이트 이용해 생산 비용 낮추고 효율 높여
비납계 비스무스 패로브스카이트 소재의 구조를 조절하여 광 흡수도를 향상


[산업일보]
페로브스카이트는 사면체, 팔면체 또는 입방체의 결정구조를 가지는 물질이다. 구성 원자에 따라 강유전 특성 및 초전도 현상과 같은 우수한 물리적 특성을 보인다. 태양전지에 응용했을 때 실리콘 태양전지보다 높은 23.3%의 전력 변환 효율을 나타낸다.

하지만 기존 페로브스카이트 태양전지는 광 활성층 물질로 효율이 높은 납을 사용하고 있으며, 태양전지 셀의 상부 전극으로는 값비싼 귀금속 전극을 주로 사용한다. 또한 귀금속 전극은 진공장비를 이용해 증착하여 사용되기 때문에 대면적 증착이 어렵고 증착 속도도 느린 단점이 있다.

뿐만 아니라, 태양전지는 빛을 받아 형성된 정공(+)을 전극으로 이동시켜주는 역할을 하는 홀(정공) 전도체를 사용하는데, 이는 에너지 효율을 높이는데 도움이 되지만 수분이나 산소에 노출되면 쉽게 부식되는 등 낮은 안정성으로 대량 합성이 어렵고 공정이 복잡해 가격이 높은 단점을 가진다.

이에, 재료연구소(소장 이정환, KIMS) 표면기술연구본부 에너지융합소재연구센터 신종문 박사(박사후 연구원), 송명관 박사 연구팀이 부산대학교 진성호 교수, 울산과학 기술원 이준희 교수 연구팀과 함께 인체에 유해한 납과 값비싼 귀금속 전극이 필요 없는 대면적화가 가능한 친환경 비스무스 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공했다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지 물질의 문제점인 유해성과 낮은 안정성 해결, 그리고 나아가 저렴한 재료를 사용해 상업화에 어울리는 태양전지를 제작하는데 주목했다.

이를 위해, 안정성이 떨어지는 홀 전도체 물질을 없애고 광 활성층의 밴드 갭을 줄여 효율을 높였다. 또한 귀금속 전극을 사용하지 않고 상대적으로 가볍고 전도성이 우수한 카본으로 대체해 롤투롤(Roll to Roll), 프린팅 공정 등을 통한 대면적 태양전지 제작을 가능하게 하는 한편, 비스무스 페로브스카이트 소재의 구조 변화를 통해 효율을 향상시키는데 성공했다.

유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 산업은 기존 실리콘 태양전지에 비해 저가격, 가공 용이성, 유연성, 재료의 다양성 등과 같은 독특한 강점을 가진다. 이를 통해 미래의 ‘웨어러블(Wearable)’, ‘프린터블(Printable)’ 태양전지 등 새로운 용도의 유비쿼터스 태양전지 시대를 선도할 하나의 강력한 대안으로 각광받고 있다.

연구책임자인 재료연구소 송명관 선임연구원은 “본 기술은 낮은 단가에 안정적인 태양전지를 제작할 수 있는 기술로써, 배터리와 같은 에너지 저장장치와 접목해 다양한 이동기기의 전원공급 장치로 사용 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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