고효율 페로브스카이트 태양전지 구현원리 밝혀졌다

김슬기 기자 / 기사승인 : 2019-07-05 16:08:09
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에너지硏, 핵심인 첨가제의 작동원리 규명 성공
“향후 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현하는데 이론적 뒷받침 될 것”

▲ 한국에너지기술연구원 제공

 

[아시아에너지경제]김슬기 기자=그간 알려지지 않았던 고효율 페로브스카이트 태양전지의 구현원리가 국내 연구진에 의해서 규명됐다.

5일 한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하 에너지연) 울산 차세대전지연구개발센터는 울산과학기술원 및 한국광기술원과 공동으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 핵심기술인 첨가제의 작동원리를 이론적으로 밝혀내고 이를 에너지 분야 국제 논문집 ‘Joule’에 전달 24일 온라인에 게재했다고 밝혔다.

페로브스카이트는 유기물질과 무기물질이 결합한 형태로 광 흡수율이 뛰어나고 전자-정공의 수명과 이동 거리가 멀어 차세대 고효율 태양전지의 핵심재료로 주목받고 있다. 현재 상용화되고 있는 실리콘 태양전지나 박막 태양전지와 비교해 제조장비와 재료비가 저렴하고, 제조절차도 간단하다. 현재 세계 최고효율은 24.2% 수준이다.

에너지 연 관계자는 “페로브스카이트 박막을 구현하면서 용액공정단계에서 염화메틸암모늄을 첨가했을 때 결정성이 3배 커지고 결정 크기가 6배 향상됐으며 발광(photoluminescence) 수명이 4배 이상 향상되는 등 전기화학적 성질이 기존대비 3~4배 좋아진다는 결과를 얻어 세계 최대효율인 24% 이상의 효율을 구현했다”라며 “또한 이러한 고효율 결과를 얻을 수 있는지에 대한 이론적인 분석에 성공했다”라고 밝혔다. 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위해서는 균일한 두께의 박막으로 결정성이 우수하고 결정 크기가 큰 페로브스카이트 박막을 제조하는 것이 핵심인데, 그간 첨가제를 사용해 고효율을 구현하는 연구결과들은 많이 있었으나 그 원인은 명확하게 알 수 없었다.  

 

이번에 에너지연은 염화메틸암모늄을 첨가하면 염소(Cl)이온이 기존 요드(I) 이온보다 크기가 작아서 메탈금속에 강하게 결합하여 체심입방구조(cubic structure)가 우선적으로 형성돼, 소성을 하지 않은 상태에서도 불순물이 없는 안정한 구조를 형성한다는 것을 규명했다.

 

더불어 소성과정에서 염소이온은 날아가고 체심입방구조는 더욱 견고하게 되면서 결정성이 기존의 3배 이상 향상되고 결정크기도 5배 이상 커지면서, 저효율의 원인이었던 전자와 정공의 재결합(recombination)을 많이 감소시켜준다는 사실도 발견했다.

 

에너지연 관계자는 “이번에 발표된 논문은 첨가제를 활용해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지를 구현하고 이를 이론적으로 밝혀냈다는데 의의가 크다”라며 “향후 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현함에 있어 이론적인 뒷받침이 될 것”이라고 강조했다.

공동 교신저자인 울산과학기술원 관계자도 “그간 알려지지 않는 고효율 페로브스카이트 태양전지가 왜 형성되는지 그 이유를 밝히는 중요한 연구결과로 향후 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 구현에 큰 도움이 될 것”이라고 평가했다. 

 

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