울산과학기술원(UNIST)은 대량 생산에 유리한 박막증착 공정 방식으로 고효율·장수명 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 1일 밝혔다. UNIST에 따르면 신소재공학과 박혜성 교수 연구팀은 진공 박막증착 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 데 성공했다.
진공 박막증착은 원료 물질을 진공 상태에서 증발시켜 기판에 얇게 입히는 방식이다.
대형 유기발광다이오드(OLED) TV 제조 등에서 널리 쓰이고 있는 기술이다. 연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 태양광-전지 변환 효율이 21.4%를 기록했다.
이는 진공 박막증착 공정으로 제조한 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준이다.
또 전지 전체를 보호 물질로 감싸는 봉지막 공정 없이도 60∼70% 습도에서 1천 시간 전지를 작동시켰을 때 초기 효율의 60% 이상을 유지하는 내구성을 보였다. 이는 페로브스카이트 물질 위에 증착된 보호 피막 덕분인데, 이 피막은 수분이나 열 자극에 대한 보호 효과가 탁월하면서도 기존 피막과 달리 전지 효율을 떨어뜨리지 않는다고 연구팀을 설명했다.
페로브스카이트 태양전지의 경우 페로브스카이트 물질 바로 위에 얇은 막을 형성시켜 수분과 열에 약한 페로브스카이트를 보호한다.
그러나 기존에 보호 기능이 뛰어난 것으로 알려진 '루델스덴-포퍼' 구조 피막은 내부 입자 배열이 불규칙해 전기를 만드는 효율을 떨어뜨렸는데, 무질서한 입자 배열 때문에 전자가 전극까지 제대로 흘러가지 못했기 때문이다. 연구팀은 내부 입자의 정렬 방향을 맞춘 보호 피막을 합성해 이 같은 문제를 해결했다.
박혜성 교수는 "박막증착은 페로브스카이트 태양전지를 상용화 가능한 큰 크기로 제작하는 데 매우 유리한 제조 방식"이라며 "이 방식으로 만든 전지의 효율이 20%를 넘어섰다는 점에서 고무적이다"고 말했다.
연구팀은 이번 기술을 탠덤 태양전지(실리콘 전지와 페로브스카이트 전지를 결합한 전지), 페로브스카이트 기반 발광 다이오드, 광센서 등에도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science)에 6월 21일 자로 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다. 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원, 한국과학기술연구원의 지원을 받아 이뤄졌다.