태양전지는 햇빛을 전기로 전환하는 친환경 에너지 장치다. 하지만 모래에서 추출하는 실리콘으로 이뤄져 불순물 제거를 위한 복잡한 공정과 에너지가 필요한 것이 문제였다. 이런 이유로 '페로브스카이트 태양전지'가 유력한 차세대 태양전지로 꼽혔다. 효율과 안정성 측면에서 실리콘 태양전지를 뛰어넘었기 때문이다.

하지만 페로브스카이트 태양전지는 상용화 가능한 수준으로 사이즈를 키울 때 효율과 수명, 안정성이 낮아진다는 문제를 노출했다.

국내 연구진이 이런 문제를 해소했다. 한국화학연구원은 한길상, 전남중 화학연 에너지소재연구센터 페로브스카이트 연구팀과 정현석 성균관대학교 교수 공동 연구팀이 사이즈가 커지더라도 효율과 수명, 안정성을 높일 수 있는 페로브스카이트 태양전지 제조기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 

페로브스카이트는 화합물의 결정이 정육면체 모양으로 생긴 물질을 의미한다. 그중 태양전지에 활용되는 페로브스카이트는 특정 유기물(A)과 무기물(B), 할로겐화물(X)이 결합된 화합물(ABX3)이다. 여기에 어떤 첨가제를 어떤 비율로 얼마나 넣느냐에 따라 페로브스카이트 태양전지의 효율이 결정된다. 사이즈가 커질 때 효율과 수명, 안정성이 낮아진 이유는 페로브스카이트 물질 자체가 습도가 높을 때 분해되는 성질을 지녔을뿐더러 빛을 받으면 받을수록 효율이 떨어지기 때문이다.

현재 우리나라는 페로브스카이트 태양전지의 세계기록을 연달아 갱신할 정도로 페로브스카이트 강대국이다. 화학연은 해당 분야에서 국내 내로라하는 연구원들을 대량 배출한 곳으로 유명하다. 

◇ 용액 한 방울로 안정성 제고

페로브스카이트 박막 소재의 안정성이 저하되는 데에는 내외부 요인이 있다. 공기·수분 등으로 습도가 높아지면서 빛의 흡수 능력이 떨어지는 것이 외부 요인이고 열·전압·빛 등의 결함으로 전자 이동이 방해받는 것이 내부 요인이다. 외부 요인은 태양전지 박막에 입히는 기술로 방지하고 내부 요인은 박막 표면 또는 결정 경계면에 다양한 유기 분자 등을 이용해 해결할 수 있다.

하지만 내외부 요인 문제가 해결된다 하더라도 이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내에 형성된 변형 응력은 물리적으로 해결하기가 어려웠다. 변형 응력(strain-stress)이란 소재가 변형되는 과정에서 가해지는 힘을 의미한다. 용액 형태의 페로브스카이트 필름은 태양전지 기판 위에서 고체로 바뀌는 개발과정(박막 결정화)을 거쳐야 하는데, 이를 위해서 100~150도에 달하는 열이 가해지게 된다. 이후 상온으로 온도가 떨어지면서 수축이 발생한다. 

문제는 태양전지 기판과 페로브스카이트 필름 간 열팽창 계수가 다르다는 점이다. 열팽창 계수란 일정한 열을 가했을 때 팽창, 수축하는 정도를 나타내는 지표다. 수축을 안 하려는 태양전지 기판과 반대로 수축을 하려는 페로브스카이트 필름이 충돌하면서 내부에 변형이 일어나 결함들이 이동할 수 있는 통로가 넓어지게 되고 결국 안정성을 저하시키는 원리다.

액체 형태의 페로브스카이트 박막에 특수한 유기 단량체를 추가한 결과 박막이 응고 후 냉각될 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자 단위 격자 변형과 내부결함을 줄였다. 효율과 안정성 두 마리 토끼를 다 잡은 셈이다.

연구팀이 개발한 액체 상태의 유기 단량체는 결정화 과정에서 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 결정 경계면을 줄이고, 페로브스카이트 박막이 수축될 때 액체상태로 존재해 박막 내부의 인장응력을 분산시켜 없애는 역할을 했다. 이외에도 빛을 쬐면 서로 연결되며 고분자로 합쳐진 뒤, 페로브스카이트 박막의 표면·결정 경계면 결함을 줄여줌으로써 효율과 안정성을 확보했다.

◇ 세계 최고 수준 효율·안정성 기록

이렇게 개발된 페로브스카이트 태양전지는 안정성 저하의 외부 요인이었던 수분과 산소를 자체적으로 차단하고, 박막 내부 결함과 이동은 최소화했다. 

태양전지 모듈은 보통 외부요인으로부터 지켜주는 봉지재로 인해 그 효율과 안정성이 더 올라가는데, 이번에 나온 페로브스카이트 태양전지는 봉지재 없이도 세계 최고 수준의 효율과 안정성을 기록했다. 단위소자(0.14㎠) 기준 22.26%에서 24.45%로 효율이 상승했고, 대면적 모듈(33㎠) 기준으론 최대 20.31% 효율을 보였다.