[인더스트리뉴스 이건오 기자] 기존 실리콘 기반의 태양전지에서 벗어난 페로브스카이트 태양전지 연구가 활발하게 이뤄지고 있는 가운데, 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 저비용 주석염화물 사용 고효율·고강도 개선에 성공했다.

UNIST 탄소중립대학원 김동석 교수와 한국에너지기술연구원 조임현 박사 공동연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 개선했다. 값싼 주석(IV) 염화물을 주석산화물 위에 반응시켜 태양전지의 안정성을 높였다.

연구진 설명에 따르면, 페로브스카이트 태양전지의 고효율을 위해서는 전자가 잘 흐를 수 있도록 돕는 박막인 전자수송층의 표면 결함을 제어하는 것이 중요하다. 이 결함은 태양전지의 효율뿐만 아니라 안정성에도 큰 영향을 미친다.

연구팀은 주석 염화물을 물에 녹여 산화물층에 도포했다. 처리 과정에서 형성된 수산화주석이 산화물 주석의 상층부를 완전히 산화시키고, 산이 재결정화를 이뤄내 전자 이동성을 개선했다.

화학용액증착법(Chemical bath deposition)은 주석산화물층을 형성하는 기술로, 표면에 자연스럽게 결함이 생긴다. 주석이 완전히 산화되지 않았기 때문이다. 박막을 형성한 후 결함을 줄이는 처리는 고효율과 장기 안정성을 동시에 확보하는 핵심 기술이다.

화학용액증착법은 밀도가 높고 균일한 주석산화물을 형성할 수 있는 증착법으로 뛰어난 전자이동도와 안정성이 높은 특성을 가진다. 또한, 기존에 쓰이던 티타늄산화물은 광촉매 특성이 높아 계면간의 결함을 유발하는 반면, 주석산화물은 상대적으로 낮은 광촉매 특성을 가짐과 동시에 전자이동도가 약 250배 가량 높다.

그럼에도 불구하고 주석산화물은 필역적으로 생성되는 산소 공공과 표면결함으로 인해 변형이 가해질 때 쉽게 균열이 생성되고 이로 인해 태양전지의 성능 저하를 야기시킨다.

이번 연구에서는 주석산화물 박막 위에 산화상태가 높은 주석을 처리했고 이를 통해 표면결함을 억제해 소자의 효율을 높임과 동시에 준안정상태의 전압-전류 곡선에서 발생하는 효율 저하를 최소화했다.

페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 위해서는 다양한 인증시험 통과가 필수적이다. 연구팀은 전자수송층을 개선해 소자의 효율을 높이고, 장시간 열과 자외선에도 견디는 성능을 입증했다.

이번 연구에서 적용한 주석염화물은 표면에 노출돼있는 수산화기(-OH)결함을 억제했다. 아울러 물과의 반응으로 생긴 수산화주석이 표면과 결합해 주석산화물 나노입자를 형성했다. 이 과정에서 부산물인 염산이 산화물끼리의 입자를 재결정화하는 역할을 했다. 이렇게 생성된 상대적인 다중접합이 표면을 더 부드럽게 하고 전자의 이동을 원활히 했다.

결과적으로 표면처리된 소자는 25.56%(인증효율 24.92%)를 달성했고 65℃의 열안정성 시험에서 1,000시간 동안 80%의 초기성능 유지를 기록했다.

김동석 교수는 “이번 연구를 통해 주석산화물의 뭉침 현상을 억제하고 결정성을 높이는 데 성공했다”며, “이 기술이 태양전지의 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 것”이라고 설명했다.

송지원 연구원과 신윤섭 박사는 “값싼 주석염화물을 사용해 고효율, 고강도, 저비용을 동시에 실현해 에너지 산업에 긍정적 변화를 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

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