페로브스카이트 태양전지 상용화 앞당길 안정성 기술 개발

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화학연·성균관대 연구팀, 내부 압력 해소 해법 제시

(대전=연합뉴스) 정찬욱 기자 = 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌이던 안정성을 높이는 공정 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 페로브스카이트 연구팀 한길상·전남중 박사와 성균관대 정현석 교수 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 안정성 저하 원인인 '변형 응력'을 해소하는 공정 기술 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

변형 응력은 소재가 변형되는 과정에서 가해지는 힘을 말한다.

페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 무수히 존재하는 다결정 구조로 이뤄져 많은 내부 결함이 있다.

공기·수분 등의 외부 요인과 열·전압·빛 등의 내부 요인으로 인한 문제 해결 노력은 많았으나, 내부 압력 해소를 통한 근본적 문제 해결법은 없었다.

특히 이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내에 형성된 '변형 응력'은 물리적으로 해결하기 어려운 한계가 있었다.

공동 연구팀은 페로브스카이트 박막 수축에 따른 내부압력을 해소하는 근원적 접근 방법으로 이를 해결했다.

액체 형태의 페로브스카이트 박막에 특수한 유기 단량체를 추가해 박막이 응고 후 냉각될 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산하면서 원자 단위 격자 변형과 내부 결함을 줄이는 결과를 도출했다.

연구팀이 개발한 액체 상태의 유기 단량체는 결정화 과정에서 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 결정 경계면을 줄이고, 페로브스카이트 박막이 수축할 때 액체 상태로 존재해 박막 내부의 인장응력을 분산시켜 없애는 역할을 했다.

또 빛을 쬐면 서로 연결되며 고분자로 중합된 뒤, 페로브스카이트 박막 표면 및 결정 경계면 결함을 줄여줘 효율과 안정성을 확보했다.

실제 이번 연구를 통해 개발된 페로브스카이트 태양전지는 태양전지 모듈 외부에 태양전지 박막에 보호막을 입히는 봉지재 없이 2천시간 동안 88.9% 효율을 유지하는 세계 최고 수준의 효율과 안정성을 보였다.

이 공정 기술은 안정성 문제에 대한 근원적 해결 방식을 제시해 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성과 신축성을 확보하는 등의 다양한 후속 연구에서 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 이달 표지 논문으로 실렸다.

jchu2000@yna.co.kr

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