기술과 솔루션
한국화학연구원, 내부 압력 해소를 통한 근원적 해법을 제시하여 페로브스카이트 태양전지 안정성 확보
- 페로브스카이트 태양전지의 내부 압력을 분산시켜 안정성을 높이는 유기 단량체 및 공정 개발 - Advanced Energy Materials 2023년 12월호 표지 논문 게재
페로브스카이트 태양전지는 안정성이 부족한 단점이 있는데, 최근 국내 연구진이 내부 압력 해소로 안정성을 높이는 공정 기술을 개발했다.
한국화학연구원(원장 이영국) 페로브스카이트 연구팀(한길상, 전남중 박사)과 성균관대학교(총장 유지범) 정현석 교수 공동 연구팀은 최근 논문에서 페로브스카이트 태양전지 안정성 저하의 원인 중 ‘변형 응력’*에 집중해, 이를 해소하는 공정 기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
* 변형 응력(strain-stress): 소재가 변형되는 과정에서 가해지는 힘을 의미, 여기에서는 ‘용액’ 형태의 페로브스카이트 필름을 태양전지 기판 위에서 ‘고체’인 필름 형태로 만드는 과정에서, 페로브스카이트와 기판의 열팽창 계수가 달라 내부에 힘이 가해져 수축이 생기는 것과 관련됨
내부 압력 해소를 통한 근원적 해법을 제시하여 페로브스카이트 태양전지 안전성 확보하는 기술을 개발한 한길상 박사 연구팀(좌로부터 서유현 박사후연구원, 한길상 선임연구원)
연구팀이 개발한 공정 기술은 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌이었던 안정성 문제에 대해 근원적 해결 방식을 제시함으로써, 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성 및 신축성을 확보하는 등의 다양한 후속 연구에서 활용될 것으로 기대된다.
페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 무수히 존재하는 다결정 구조로 이뤄져 많은 내부 결함이 있다. 그동안 공기·수분 등의 ‘외부 요인’ 및 열·전압·빛 등의 ‘내부 요인’으로 인한 문제 해결 노력은 많았으나, 내부 압력 해소를 통한 근본적인 문제 해결법은 없었다.
우선 공기나 수분 등 ‘외부 요인’에 의한 페로브스카이트 태양전지의 안정성 하락은, 태양전지 박막에 보호막을 입히는 봉지재 기술을 활용하여 내부로 침투하는 외부 요인들을 막아 방지할 수 있다. 그리고 박막 표면 및 결정 알갱이 사이 내부 경계면에 존재하는 결함 때문에 전자의 이동이 방해받는 효율 감소와 열·전압·빛 등 ‘내부 요인’으로 인한 성능 하락 문제는 박막의 표면 또는 결정 경계 면에 다양한 유기 분자 등을 이용해 해결할 수 있다.
이런 기술에도 불구하고 이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내에 형성된 ‘변형 응력’은 물리적으로 해결하기가 어려운 한계가 있었다. 페로브스카이트 박막 형성과정에서 발생되는 변형으로 인해 박막 분해가 가속화되는 문제를 해결하지 못한 것이다.
공동 연구팀의 이번 연구에서는 페로브스카이트 박막 수축에 따른 내부 압력을 해소하는 근원적 접근 방법으로 이를 해결했다. 액체 형태의 페로브스카이트 박막에 특수한 유기 단량체를 추가한 결과, 박막이 응고 후 냉각될 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자 단위 격자 변형과 내부 결함을 줄이고, 효율과 안정성 두 마리 토끼를 다 잡은 결과를 도출하였다.
연구팀이 개발한 액체 상태의 유기 단량체는 결정화 과정에서 ➀ 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 결정 경계면을 줄이고, ➁ 페로브스카이트 박막이 수축될 때 액체 상태로 존재하여 박막 내부의 인장응력을 분산시켜 없애는 역할을 했다. 이외에도 유기 단량체는 ➂ 빛을 쬐면 서로 연결되며 고분자로 중합된 뒤, 페로브스카이트 박막의 표면 및 결정 경계면 결함을 줄여줌으로써 효율과 안정성을 확보하였다.
[그림 1] 페로브스카이트 박막 내에 압력 결함 제어 및 고 결정(규칙적인 정렬 형태의) 페로브스카이트 박막 형성과정
▲ (1) 용액 형태의 페로브스카이트 박막(필름)
▲ (2) 용액 형태의 페로브스카이트 박막에 연구팀이 개발한 용액 유기 단량체 투하
▲ (3) 용액 형태의 페로브스카이트를 결정화(응고)시키기 위한 가열
* 페로브스카이트 박막이 응고될 때, 액체 유기 단량체는 응고되지 않고 인장응력 해소
▲ (4) 유기 단량체 중합을 위해 빛에 노출
* 액체 유기 단량체가 빛을 쬐어 중합된 후, 페로브스카이트 표면/결정 경계 면에 완벽하게 페시베이션 된 모습
▲ (5) 완성된 소재
* 내부 확대 모습: 규칙적으로 정렬되어 효율과 안정성 높음
실제 본 연구를 통해 개발된 페로브스카이트 태양전지는 외부의 수분과 산소에 대해 자체적으로 차단이 가능하고 박막 내부 결함과 이동을 최소화하여, 태양전지 모듈 외부에 봉지재가 없는 기준으로 세계 최고 수준의 효율*과 안정성**을 보였다.
* 단위소자(0.14㎠): 효율 상승(22.26% → 24.45%)
* 대면적 모듈(33㎠): 최대 20.31% 효율(대면적 공정 적용에 적합한 우수 성능)
** 태양전지 모듈 외부에 봉지재 없이 2,000시간 동안 88.9% 효율 유지
[그림 2] 기존 소재와 이번 개발 소재의 효율 비교
▲ 좌측(단위 소자 면적 0.14㎠)과 우측(대면적 33㎠) 모두 기존 소재에 비해 효율 개선
또한 기존 소재는 보호막 없이 수분에 닿으면 즉각 박막이 분해되며 색이 변하는 데 반해, 이번 기술로 제작된 페로브스카이트 박막은 물방울을 박막 표면에 직접 떨어뜨려도 잘 견딘다는 장점도 있다.
[그림 3] 장시간 안정성 실험 결과
▲ 2,000시간 후에도 모듈의 효율은 처음의 88.9% 수준 유지
[그림 4] 이번 개발 소재와 기존 소재의 내수성 비교
▲ (위쪽) 이번 개발 소재는 박막 표면에 물방울이 닿아도 변화 없으나, (아래쪽) 기존 소재는 물방울이 닿자마자
박막이 분해되어 노란색으로 변하는 모습
화학연 이영국 원장은 “이번 연구로 페로브스카이트 박막 내에 발생하는 결함에 대한 근원적인 해결법을 제시하여, 기존의 다양한 페로브스카이트 안정성 향상 기술과 시너지 효과를 일으켜, 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.”라고 말했다.
- 논문명(영): In Situ Polymerization of Cross-Linked Perovskite-Polymer Composites for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells
- 논문명(국): 고안정·고효율 페로브스카이트 태양전지를 위한 현장 폴리머 중합된 페로브스카이트- 고분자 복합재
이번 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials(IF : 27.8))’ 12월호 표지 논문으로 게재되었다.
또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 단계도약형 탄소중립 기술개발사업, 산업통상자원부 소재부품 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
< 연구진 소개 >
 | ○ 성명: 한길상 ○ 소속: 한국화학연구원 에너지소재연구센터 ○ 전화: 042-860-7314 ○ 이메일: gshan@krict.re.kr |
 | ○ 성명: 전남중 ○ 소속: 한국화학연구원 에너지소재연구센터 ○ 전화: 042-860-7314 ○ 이메일: njjeon@krict.re.kr |
