KRICT 한국화학연구원

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□ 한국화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀 (서장원 책임연구원, 신성식 선임연구원, 정재훈 전 박사후연구원)은 유연하면서도 효율이 높은 페로브스카이트* 태양전지 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 저렴하고 간단하게 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 

 * 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 AMX3 화학식을 갖는 구조체(A, M은 양이온, X는 음이온, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명함)

 ？ 연구팀은 2019년 8월에 미국재생에너지연구소 NREL에 당시 세계 최고효율이었던 25.2%을 기록한 바 있다. 지금까지 NREL에 기록된 전세계 페로브스카이트 태양전지 기술 효율은 전부 딱딱하고 두꺼운 유리기판으로 만들어진 페로브스카이트 전지의 효율이었다. 

 ？ 미래 착용형(웨어러블) 기기, 건물, 자동차 등에도 활용을 넓히려면 유연한 형태의 태양전지가 필요한데, 연구팀은 이를 위해 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 유연한 페로브스카이트 태양전지는 유리기판으로 만드는 딱딱한 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 낮아, 지금까지 전세계적으로 논문에 보고된 효율은 20%를 넘지 못했다. 연구팀은 유연한 페로브스카이트 태양전지 효율로 세계 최고 수준인 20.7%를 달성했다. 

□ 페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 하는데, 이 경우 고온공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 지금까지 한계가 있었다. 연구팀은 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

 ？ 연구팀은 태양전지를 구성하는 층 중에서, 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만드는 기술을 개발했다.

 ？ 연구팀은 상대적으로 작은 주석산화물(SnO2) 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고, 그 위에 큰 주석 아연산화물(Zn2SnO4) 입자가 듬성듬성하게 있는 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었다. 이러한 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다.

 ？ 구체적으로는, 전자수송층 위에 페로브스카이트 층이 올라가는데, 이 전자수송층의 울퉁불퉁한 구조에 영향을 받아 페로브스카이트 층 속 결정이 크고 고르게 자랄 수 있었다. 페로브스카이트 물질의 결정이 크고 고를수록 전자가 잘 이동할 수 있어 태양전지의 효율이 높아진다. 결정이 작으면 결정 사이의 경계면 흠 때문에 전자가 잘 이동하지 못할 수 있기 때문이다. 

 ？ 태양전지의 효율은 결국 빛을 받으면 전자가 얼마나 많이 잘 이동하는가에 달려있는데, 본 연구팀이 개발한 전자수송층을 통해 20.7% 효율을 달성했다. 또한 연구팀은 20x20 cm2의 대면적에서도 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현할 수 있었다.

 ？ 본 연구성과는 ‘Energy & Environmental Science, IF:33.250’ 11월호에 게재되었다.

□ 한편, 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀(서장원 책임연구원, 김영윤 선임연구원)은 핀란드의 연구소인 VTT Technical Research Centre of Finland와 함께, 유연한 페로브스카이트 태양전지를 신문을 인쇄하듯 그라비아 프린팅*으로 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 롤투롤 공정 기술을 개발하고,** 전세계에서 처음으로 파일럿 스케일에서 구현했다. 향후 고효율 소재에도 확대 적용할 계획이다.  

* 그라비아 프린팅: 특정 패턴이 새겨진 금속 프린터에 잉크를 묻혀 인쇄하는 방법. 빠르고 세밀한 패턴 인쇄가 가능. ** Adv. Sci. 2019, 6, 1802094 (IF: 15.840)』에 세계 최초로 한국화학연구원에서 페로브스카이트 태양전지에 적용.

 ？ 페로브스카이트 물질은 페로브스카이트 전구체* 물질을 용매**에 녹여서 용액 형태로 만들고 기판 위에 페인트를 칠하듯 도포하면, 용매는 날아가고 페로브스카이트 물질의 결정이 형성되는 방식으로 만들어 왔다. 이러한 쉽고 간편한 제조방식은 장점으로 꼽혀왔다.

  * 전구체 : 페로브스카이트가 될 수 있는 앞 단계 물질

  ** 용매: 어떤 물질을 녹이는 물질, 소금물에서는 물이 용매이다. 

 ？ 그런데 이 결정화 과정이 너무 빠르게 일어나 결정의 크기와 모양이 고르게 자라지 않는다는 문제점이 있었다. 이러한 문제 때문에 박막 형태로 제작하기 어려워, 한국화학연구원 연구팀은 2014년에 비용매*를 사용해서 페로브스카이트 층을 만드는 방법을 개발했다.** 결정화 과정에서 페로브스카이트를 비용매에 순간적으로 접촉시켜서 결정을 고르게 자라게 하는 방법이다. 이 비용매접촉법은 현재까지 전세계 페로브스카이트 태양전지 연구에 널리 이용되어 오고 있다.** 하지만 이 비용매가 인체에 유해하고, 비용매 접촉 시간을 몇 초 단위로 세밀하게 조정해야 해서 롤투롤 공정에 적용하기 어렵다는 단점이 있었다.

 *비용매: 용매가 아닌 물질. 즉 페로브스카이트를 녹이지 않는 용매.

 ** Nature Materials 2014, 13(9), 897 (IF: 38.663)』에 세계 최초로 한국화학연구원 페로브스카이트 팀에서 비용매접촉법 보고. 현재 4700회 이상 인용

 ？ 연구팀은 이 점을 해결하기 위해, 인체에 무해하면서도 공정시간 변수에 크게 구애받지 않는 새로운 비용매(삼차부틸알코올, tert-butyl alcohol)를 개발했다. 그리고 이를 활용한 롤투롤 공정을 개발해 세계 최초로 파일럿 스케일에서 구현했다. 

 ？ 이 성과는 에너지 소재 분야 권위지인『Nature Communications, IF:12.121』10월호에 게재되었다. 

 ？ 위 두 가지 성과는 한국화학연구원 주요사업 및 Go! KRICT 프로젝트와, 에너지기술평가원 및 글로벌프론티어 R&D 사업의 지원을 받아 진행되었다.  

□ 연구책임자 서장원 단장은 “현재, 유연 태양전지의 세계최고효율은 무기박막 태양전지에서 20.8%(스위스 EMPA)의 효율을 보고하고 있어 본 연구결과는 이에 비견될 만한 매우 우수한 결과다. 유연 페로브스카이트 태양전지는 롤투롤 용액 공정으로 만들 수 있어 저렴하고 가벼우며 곡선에도 부착할 수 있다는 장점이 있다. 향후 자동차, 휴대용 전자기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.