페로브스카이트 양자점 태양전지로 안전성·효율 확보
페로브스카이트 양자점 태양전지로 안전성·효율 확보
  • 홍시현 기자
  • 승인 2021.03.17
  • 댓글 0
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기계연, 대기환경 최대 1,000시간 16% 효율 달성
한국기계연구원 나노응용역학연구실이 개발한 페로브스카이트 양자점 태양전지(좌)와  심형철 한국기계연구원 나노응용역학연구실 선임연구원이 페로브스카이트 양자점 태양전지 고나련 양자점 용액 제조 공정을 시연하고 있다.
한국기계연구원 나노응용역학연구실이 개발한 페로브스카이트 양자점 태양전지(좌)와 심형철 한국기계연구원 나노응용역학연구실 선임연구원이 페로브스카이트 양자점 태양전지 고나련 양자점 용액 제조 공정을 시연하고 있다.

[투데이에너지 홍시현 기자] 대기환경에서 세계 최고 수준의 효율과 안전성을 확보한 태양전지 제조 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

심형철 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 나노응용역학연구실 선임연구원은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 이중 박막에서 일어나는 양이온 교환현상을 이용해 대기환경에서 최대 1,000시간까지 안정적으로 16%의 효율을 유지하는 태양전지를 만드는 데 성공했다.

태양전지의 광 흡수체는 반도체 성질이 뛰어날수록 자외선부터 가시광선, 적외선까지 흡수 가능한 태양광 대역이 다르다. 따라서 태양광을 더 폭 넓게 활용할 수 있는 광 흡수체를 만들기 위해 각기 다른 물성의 반도체 물질을 여러 층 쌓기 위한 다양한 시도가 이어져왔다.

차세대 태양전지 소재로 주목받는 양자점은 10나노미터 이하의 매우 작은 반도체성 결정 입자로 소재의 조성이나 성분을 바꾸지 않고 크기를 조절하는 것만으로 반도체 물성을 조절할 수 있어 다층으로 흡수체를 만드는 데 매우 유리하다.

제조 공정도 비교적 간단하다. 기존 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 기판 위에 페로브스카이트 전구체를 뿌린 후 200℃ 이상의 고온 열처리 과정을 거쳐 결정화해야 한다. 하지만 미세한 결정 상태인 양자점은 용매에 분산해 액체로 만들어 기판에 뿌리거나 바르기만 하면 태양전지를 만들 수 있다.

연구팀은 각기 다른 양이온(세슘납요오드화물과 포름아미디니움)으로 조성된 이중 박막 구조의 페로브스카이트 양자점 태양전지를 만들었다. 양자점 태양전지는 양이온의 표면을 둘러싼 리간드가 떨어져 나가고 교환하는 과정에서 결함이 생긴다. 연구팀은 포름아미디니움 이온이 이동하면서 그 결함을 스스로 복구하도록 설계해 안정성을 높였다. 이 때문에 이중 박막 구조의 페로브스카이트 양자점 태양전지는 기존 페로브스카이트 단일 박막 구조의 광 흡수체보다 더 오랜 시간 성능을 유지할 수 있다.

이 기술을 활용하면 태양전지의 흡수체를 기존 열 공정 없이 용액 공정만으로 만들 수 있어 제조단가를 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기존 실리콘 태양전지 위에 흡수체를 보강해 기존 시스템의 효율을 향상시키는 방식으로도 활용할 수 있다.

심형철 선임연구원은 “단순한 제작 공정으로 페로브스카이트 양자점 태양전지의 높은 효율과 안정성이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을 것으로 기대된다”라며 “후속 연구를 통해 태양전지의 경제성을 더욱 높이고 우리나라의 탄소중립 달성 목표에 기여할 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.

 


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