석상일 UNIST 에너지화학공학과 특훈교수팀이 사우디아라비아 연구팀과 공동으로 고효율 탠덤 태양전지를 대량 생산할 수 있는 새로운 계면 코팅 물질을 개발했다.
석상일 특훈교수팀은 최경진 UNIST 신소재공학과 교수팀, 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대(KAUST) 연구팀과 3성분 물질을 이용한 전지 계면 코팅 물질을 개발했다고 11일 밝혔다.
이 물질을 적용하면 수분과 산소에 노출된 일반 공정으로 효율 30%를 넘는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지를 만들 수 있다. 연구 성과는 네이처 포토닉스 6월 1일자에 실렸고, 고효율 탠덤 전지 대량 생산의 길을 열었다는 평가를 받았다.
페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 페로브스카이트 전지와 실리콘 전지를 위아래로 쌓아 효율을 극대화한 전지다. 위쪽 페로브스카이트가 짧은 파장의 태양빛을 먼저 흡수하고, 아래쪽 실리콘이 남은 빛을 흡수해 기존 실리콘 태양전지보다 더 높은 효율을 낼 수 있다. 꿈의 태양전지로 불리며 중국을 비롯한 주요국이 주도권 확보 경쟁을 벌이고 있다.
공동 연구팀이 개발한 물질은 페로브스카이트층을 쌓기 전 전극 표면에 먼저 코팅하는 얇은 접촉층 물질이다. 이 물질을 고르게 코팅해야 그 위에 바르는 페로브스카이트 용액도 균일하게 퍼지고, 전기 입자, 즉 전하가 사라지는 결함도 줄어든다.
기존 SAM 코팅층은 공기 중에 수분이 있으면 전극 위에 고르게 붙지 못했고, 이로 인해 페로브스카이트 용액도 흐트러졌다. 수분과 산소를 차단한 특수 설비 안에서 만들어야 했고, 이는 대면적 생산 비용을 높이는 요인이 됐다.
연구팀은 기존 SAM 물질인 Me-4PACz에 GDMA, AG를 추가한 3성분 물질을 이용해 코팅 물질을 개발했다. GDMA는 코팅층이 전극 위에 고르게 퍼지고 열처리 후 단단히 붙도록 돕는다. AG는 페로브스카이트와 맞닿는 부분의 결함을 줄여준다. 결함이 줄면 빛을 받아 생긴 전하가 중간에 소실되지 않고, 그만큼 전하가 전극으로 더 잘 이동해 태양전지의 효율과 전압이 높아진다.
개발한 코팅 물질을 적용해 일반 대기 환경에서 만든 탠덤 전지 테스트 결과 31.72% 효율을 나타냈다. 일반 대기 환경 제조 탠덤 전지 가운데 세계 최고 효율이다. 공인 인증 효율은 31.36%다.
전지 내구성도 높아졌다. 겉을 감싸는 보호 포장 없이 85도의 뜨거운 공기 중에 600시간을 두어도 처음 성능의 92% 이상을 유지했다. 실제 태양광을 모방한 강한 빛을 1000시간 연속으로 쬔 후에도 90% 이상의 효율을 지켜냈다.
연구팀은 이 물질을 적용하면 7×7㎠ 대면적 페로브스카이트 태양전지 제작 수율도 높일 수 있다는 것을 확인했다.
석상일 교수는 “고효율 탠덤 태양전지 상용화는 고성능뿐 아니라 실제 공정에서 재현성, 생산비 저감까지 해결해야 가능하다”며 “일반 대기 중에서도 균일한 계면 박막과 높은 재현성 확보가 가능하다는 것을 확인한 만큼 대면적 제조 공정으로 확장에 기여할 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com