국내 연구진이 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트 필름을 보다 쉽게 제작하는 방법을 개발했다. 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체·초전도체의 특성을 모두 지니는 금속 산화물이다.
기존에 사용되는 용매의 한계를 극복하고 새로운 첨가제를 사용해 보다 쉽고 저렴하게 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 기여할 것으로 기대된다.
김동유 광주과학기술원 교수(교신저자)와 윤진문 한국원자력연구원(KAERI) 첨단방사선연구소 박사(교신저자)가 수행한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 지원으로 수행됐다. 연구결과는 네이처가 발행하는 사이언티픽 리포츠 11월호에 게재됐다.
유·무기 하이브리드 태양전지의 새로운 광흡수 물질로 각광받고 있는 페로브스카이트는 특유의 결정구조와 그에 따른 우수한 광흡수 특성 때문에 높은 광전변환효율을 보이고 있다.
하지만 페로브스카이트는 특유의 결정성을 갖추기 위한 조건이 까다롭기 때문에 매번 제작할 때마다 효율의 변동이 큰 단점을 지니고 있다.
페로브스카이트 결정성을 조절하고 균일한 박막을 얻어낼 수 있다면 이러한 재현성 문제를 해결할 수 있다.
연구팀은 새로운 첨가제를 이용해 페로브스카이트 결정의 성장을 조절하고, 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 걸림돌이었던 페로브스카이트 필름의 균일도를 손쉽게 향상시켰다.
기존에는 용액공정을 통해 페로브스카이트 필름을 제작할 때 대부분 다이메틸포름아마이드(DMF)를 용매로 사용하고 높은 필름 균일도를 얻기 위해 장시간의 고온 열처리 공정과 값비싼 고진공 증착법을 사용했다.
연구팀은 DMF와 구조는 유사하지만 높은 끓는점과 낮은 휘발성을 지녀 결정 형성에 필요한 시간을 효과적으로 제어할 수 있는 사이클로헥실피롤리돈(CHP)을 첨가제로 사용해 부분적으로 필름이 형성되는 기존 문제를 해결하고 전 면적에 균일하게 필름을 형성시켰다.
김동유 교수는 “이번에 개발된 기술은 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 상업적으로 손쉽게 생산할 수 있는 가능성을 보여준 기술”이라며 “아직 완전히 밝혀지지 않은 페로브스카이트 결정 형성의 메커니즘을 밝히고 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 새로운 원천기술이 될 것”이라고 말했다.
광주=서인주기자 sij@etnews.com