태양전지에 초박막 입혔더니…효율 33%·내구성 55% 쑥

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 페로브스카이트 태양전지 표면에 특정 물질을 진공에서 얇고 균일하게 입혀 발전 효율과 내구성을 높이는 기술이 개발됐다. 특히 전지마다 발생하던 성능 차이까지 줄일 수 있어 고효율 태양전지의 대량 생산 가능성을 높일 기술로 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)는 에너지화학공학과 양창덕 교수와 신소재공학과 최경진 교수 연구팀이 페로브스카이트 표면에 패시베이션 물질을 진공증착 방식으로 입혀 태양전지의 성능과 품질 균일성을 높였다고 20일 밝혔다.

패시베이션은 태양전지 표면에 생기는 미세한 결함을 막아 전자가 불필요하게 손실되는 것을 줄이는 기술이다. 결함은 태양전지의 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 소재의 열화가 시작되는 지점이 될 수 있어 전지의 수명에도 영향을 준다.

기존에는 패시베이션 물질을 용매에 녹여 태양전지 표면에 바르는 방식이 주로 사용됐다. 하지만 용액이 표면에 고르게 퍼지지 않거나 물질이 일부 뭉치는 문제가 있어 전지마다 처리 상태와 성능에 차이가 생길 수 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 패시베이션 물질을 진공에서 가열해 기체로 만든 뒤 태양전지 표면에 얇게 쌓는 진공증착 방식을 적용했다. 기체 상태의 분자가 표면에 직접 내려앉기 때문에 물질이 퍼지는 양과 속도를 정밀하게 조절할 수 있고 보다 균일한 막을 만들 수 있다는 장점이 있다.

핵심은 진공증착에 적합한 패시베이션 물질을 찾는 것이었다. 너무 쉽게 휘발하는 물질은 표면에 쌓이는 양을 조절하기 어렵고 반대로 휘발이 잘되지 않는 물질은 높은 온도로 가열해야 해 분해될 가능성이 있기 때문이다.

연구팀은 패시베이션 물질 6종의 열 안정성과 휘발 특성을 비교해 '피페라지늄 다이아이오다이드(PDI)'를 적합한 물질로 선정했다. 이후 초당 0.01나노미터의 속도로 물질을 증착해 페로브스카이트 표면에 균일한 막을 형성했다.

그 결과 진공증착 방식으로 표면을 처리한 페로브스카이트 태양전지는 최고 효율 26.05%를 기록했다. 같은 물질을 용액 방식으로 처리한 태양전지의 효율 25.43%보다 높은 수치다.

페로브스카이트와 실리콘 태양전지를 위아래로 쌓은 탠덤 태양전지에서도 33.09%의 공인 효율을 달성했다.

전지마다 성능이 얼마나 일정하게 나오는지도 개선됐다. 연구팀이 각각 12개의 태양전지를 제작해 비교한 결과 진공증착 방식으로 처리한 전지들은 용액 방식에 비해 효율 편차가 줄어든 것으로 나타났다.

내구성도 높아졌다. 섭씨 65도에서 빛을 계속 비추며 태양전지를 작동시키는 시험에서 진공증착 기술을 적용한 전지는 초기 효율의 90%를 유지하는 시간이 1천5시간으로 나타났다. 용액 방식으로 처리한 전지보다 약 55% 긴 시간이다.

연구팀은 패시베이션 물질의 휘발 특성을 정밀하게 조절하는 것이 균일한 표면 처리와 성능 향상의 핵심이라고 설명했다.

박지원 연구원은 "패시베이션 물질의 휘발성을 하나의 설계 변수로 삼아 진공에서 휘발 속도를 안정적으로 제어함으로써 페로브스카이트 표면에 균일한 막을 만들 수 있었다"고 말했다.

양창덕 교수는 "이번 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높이는 동시에 전지 간 성능 편차도 줄일 수 있는 방법"이라며 "페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지에서도 33%가 넘는 인증 효율을 확보한 만큼 고효율 태양전지의 대면적·대량 생산에 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구에는 UNIST 에너지화학공학과 박지원·김지은 연구원과 신소재공학과 노영임 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 친환경 에너지 화학 분야 국제학술지 '에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)'에 지난 1일 게재됐다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]