Win Tech - 페로브스카이트 태양전지 상용화 요소 기술 개발
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 서장원 책임연구원/박사
한국화학연구원
연구 개요
차세대 태양전지 분야에서 가장 주목받는
페로브스카이트 태양전지
지구 온난화 등의 기후 변화에 따른 지구 생태계의 변화와 전 세계적인 에너지 자원 고갈 문제가 인류를 위협하고 있다.
가장 시급히 해결해야 할 인류 공동의 의제로서 2015년 11월 파리 협약이 이뤄졌고, 인류는 탄소 저감 노력과 함께 ‘신기후변화 체제’에서의 기후 변화에 대응하기 위해 노력하고 있다.
과학기술계에서는 무한하고 청정한 신재생 에너지 생산 확대의 필요성이 대두되며 다양한 분야에서 지속적으로 연구 개발하고 있다.
그중 ‘신기후변화 체제’에서의 대표적 핵심 기술인 태양전지 기술은 현재 실리콘 태양전지가 대부분을 차지하고 있으나, 급증하는 태양광 시장을 대비하기 위해서는 실리콘 태양전지를 대체하거나 병용할 수 있는 차세대 저가·고효율 태양전지 기술개발이 절실히 필요하다.
차세대 태양전지(유기태양전지, 염료감응태양전지, 양자점태양전지)는 지난 수십 년간 많은 연구 투자가 이루어져 왔다.
2009년 천연광석인 티탄산칼슘(CaTiO₃)와 같은 화학결정 구조를 갖고, 무기/유기 소재의 장점을 결합한 하이브리드형 페로브스카이트 소재에 대한 연구가 시작되었다.
이 소재를 염료 대신 적용하여 초기 3~4%의 효율을 얻었다.
이를 시작으로, 저가·고효율·유연·경량성 등의 장점을 모두 지닌 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 결정소재를 이용한 태양전지에 대한 연구 개발이 2012년부터 본격적으로 진행되어 현재, 저가의 저온 용액 공정을 통해 기존의 결정질 실리콘 태양전지에 버금가는 22.7%의 높은 광전 변환 효율의 성능을 보이고 있다.
한국화학연구원의 페로브스카이트 태양전지
연구 개발
이러한 페로브스카이트 태양전지 기술은 기후변화 대응에 대비하여 미래 신산업 창출이 가능한 후보 기술로서 우리나라 연구진이 기술을 선도하고 있으며, 그중에서도 한국화학연구원(KRICT, Korea Research Institute of Chemical Technology)은 이 분야 초기 연구개발 단계부터 원천 소재, 공정, 소자구조 관련 특허와 원천 기술을 확보하여 세계 기술을 선도하고 있다.
이는 NREL(National Renewable Energy Laboratory; 미국재생에너지연구소) 공식인증 세계 최고 효율 기록 3연속 경신 (2013~2014년)과 2016년 세계 최고 효율 기록(22.1%)을 통해 알 수 있다.
이러한 ‘고효율 페로브스카이트 태양전지 원천기술’은 국내 중소기업((주)유니테스트)에 2016년 8월, 정액기술료 15.5억 원과 추가 경상 기술료 포함하여 기술 이전하였고 현재(2017년 이후), 고효율 기반의 고안정성 확보와 대면적 모듈 제조를 위한 상용화 기술 개발에 집중하고 있다.
연구 내용
고효율 소자를 위한 페로브스카이트 소재, 소자,
공정에 관한 원천 기술 개발
본 연구진은 지난 수년간 쌓아온 고효율화 기술력을 바탕으로, 2017년 10월, 단위 소자(면적=0.1㎠)에서 세계 최고 효율 22.7%를 인증받아 NREL 차트에 기록되었다.
이는 기존 실리콘 태양전지에 버금가며, 기존 박막 태양전지의 CdTe(Cadmium telluride) 및 CIGS(Copper indium gallium selenide) 태양전지의 최고 효율 22.1%와 22.6%보다 높은 효율에 해당한다.
특히 한국화학연구원은 이 분야에서 공식 인증기록을 5번째 갱신하여 고효율 분야를 선도하고 있다는 것을 입증했다는 데 큰 의미가 있다.
고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발
페로브스카이트 소재 자체는 빛과 열에 대한 비교적 높은 안정성을 보이나, 높은 습도에는 약한 특성이 있다. 이는 차원제어 소재 개발과 봉지막 개발을 통해 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 태양전지 소자의 열과 광안정성은 페로브스카이트 필름과 계면을 이루고 있는 층간 소재에 따라 특성이 크게 영향을 받고 있는 것으로 판단된다.
특히, 기존 고효율 소자에 주로 사용되고 있는 유기단분자 정공 수송체인 Spiro-OMeTAD를 포함하는 소자는 85도에서 급격히 열화가 발생되는 심각한 문제가 있어 고온에서의 장기안정성과 온도변화에 따른 열사이클 안정성이 보장되는 소자 개발이 꼭 필요한 상황이다.
본 연구에서는 300도까지 열적 전이가 없는 금속 프탈로시아닌 소재를 정공 수송층에 도입하여 18.8%의 소자 효율을 보고하였다.
개발된 이 소자를 통해 100도 이상의 온도에서 높은 열안정성과 85도 1,000시간 이상의 장기 안정성을 확인하였고, 50회 반복된 열사이클(-40도~85도)에 대해서도 소자 특성이 안정적으로 이루어짐을 확인할 수 있었다.
이 결과는 2017년 10월, 에너지 & 인바이러멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)지에 게재되었다.
한편, 높은 유리전이 온도를 갖는 Spiro-OMeTAD계 단분자를 신규로 합성하고 정공 수송층으로 도입하여 500시간 동안 60도 장기열안정성을 보이고 300시간 동안 우수한 광안정성을 보였다.
높은 개방 전압 확보에 의해, 단위소자 22.6% 인증효율 그리고, 1㎠ 소자 20.9% 인증효율을 보고하였다. 이 결과는 최근(2018년 3월) 네이처 에너지(Nature Energy) 저널에 게재되었다.
인쇄공정 기반 대면적 박막형성 기술 및
모듈 제조공정 기술 개발
본 연구진은 축적되어 온 고효율 페로브스카이트 태양전지 기술력을 바탕으로, 단위소자가 아닌 대면적에 적용이 가능한 페로브스카이트 박막화 기술과 고균일도 확보를 위한 인쇄 공정 기반 박막 기술 개발에 집중하고 있고, 이를 통해 대면적 페로브스카이트 모듈 제조 기술을 개발하고 있다. 이는 상용화를 위해 필수적으로 요구되는 기술이며, 고효율-고안정성 기술과 접목하고자 한다.
앞서 개발된 고효율 페로브스카이트 태양전지 기술을 단위소자가 아닌, 대면적화 기술력으로 확장하기 위한 일환으로, 1㎠ 면적 소자에서도 20.9% 효율을 인증 받아, 2017년 12월 태양전지 분야 우수저널인 프로그레스 인 포토볼태익스(Progress in Photovoltaics) 저널의 ‘태양전지 효율테이블(Solar cell efficiency table)’에 등재됐다.
한편, 이를 바탕으로 페로브스카이트 서브 모듈을 제작하여 현재 대면적 모듈 제조에 관한 전반적인 연구를 수행하는 가운데, 5×5㎠ 및 10×10㎠ 이상의 대면적 페로브스카이트 모듈에서 15% 이상의 효율을 보이고 있다(활성면적 기준).
이러한 연구 성과를 바탕으로, 2017년 화학산업의 날 산업통상자원부 장관표창과 한국공학한림원, ‘2025년, 대한민국을 이끌 100대 기술과 주역’으로 신재생/그린에너지, 고효율 태양전지 기술 분야에서 고효율-고안정성-대면적 페로브스카이트 모듈 제조 기
술이 선정되었다.
그리고 2017년 출연연 10대 우수성과에도 선정되었다.
기대 효과
태양광 시장의 새로운 패러다임 기대
청정 무한 에너지인 태양광에너지 사업의 육성이 전략적으로 필요한 상황에서 무/유기 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 및 박막 태양전지의 상용화 기반 기술과 접목하면 조기 상용화가 가능한 차세대 태양전지이다.
또한, 페로브스카이트 태양전지 기술은 태양광 시장의 90%를 선점하고 있는 실리콘 태양전지 분야에 탠덤 태양전지 형태로 응용 개발될 수 있고, 기존 실리콘 태양전지와는 달리, 가볍고 유연한 특성으로 인해 플렉시블 태양전지 시장으로의 확장이 가능하기 때문에 태양광 시장의 패러다임을 바꿀 수 있는 거대한 산업적 파급 효과가 기대된다.
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)가 선정한 “2017 출연(연) 우수연구성과 10선” 기술을 선별하여 게재하고 있습니다.