[쿠키과학] “건물 외벽이 태양광 발전소”… 페로브스카이트 태양전지 상용화 ‘성큼’

공정 조건이 달라져도 고효율을 안정적으로 유지하는 페로브스카이트 태양전지 핵심 소재가 나왔다.

한국연구재단은 한국에너지공대·한국화학연구원 공동연구팀이 공정 조건 변화에도 고효율을 안정적으로 유지하는 비정질 계면 패시베이션 소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

패시베이션은 태양전지 내부에서 전기가 새지 않도록 표면에 보호막을 형성하는 기술이다.

페로브스카이트 태양전지는 가볍고 유연해 얇은 필름 형태로 만들 수 있어 건물 외벽에 붙이는 건물일체형태양광(BIPV), 차량용 태양전지, 웨어러블 기기까지 활용 범위가 넓어 주목받았다.

하지만 실험실에서 높은 효율을 기록한 것과 달리 상용화를 위한 공장 생산라인에서는 성능 편차가 커지는 문제가 있다.

특히 코팅 속도가 조금만 달라져도 효율이 떨어졌고, 대면적으로 만들수록 품질 관리가 어려웠다.

태양전지 표면 결함을 막는 패시베이션 공정에서 기존 소재는 코팅 두께나 공정 속도가 조금만 바뀌어도 성능이 급격히 흔들렸다.

연구팀은 이 문제의 원인을 분자 배열에서 찾았다.

기존 학계는 분자들이 규칙적으로 줄지어 배열된 결정성 구조가 전하 이동에 유리하다고 봤다.

반면 연구팀은 분자들이 규칙적으로 정렬되지 못하도록 일부러 구조를 비틀어 불규칙한 비정질 상태를 만들었다.

연구팀은 카바졸 기반 분자에 비대칭 아이오딘 구조를 도입한 비정질 계면 소재 ‘I-4PACz’를 개발했다.

이 구조는 분자끼리 반듯하게 정렬되는 현상을 억제해 공정 조건 변화 영향을 크게 줄였다.

기존 소재가 작은 충격에도 무너지는 정교한 도미노 구조였다면, 새 소재는 형태가 조금 바뀌어도 기능을 유지하는 탄성 있는 그물망 구조와 유사하다.

실험 결과 기존 패시베이션 소재는 농도가 높아져 막이 두꺼워질수록 효율이 급격히 감소했다.

반면 I-4PACz는 약 10배 수준의 농도 변화에서도 효율이 거의 떨어지지 않았다.

태양전지 박막을 형성하는 블레이드 코팅 속도를 달리한 실험에서도 성능 변화가 거의 나타나지 않았다.

연구팀은 실제 롤투롤 기반 연속 생산 공정에서 안정적으로 적용할 수 있는 가능성을 확인했다.

성능도 24.5㎠ 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈에서 21.2% 광전변환효율을 기록하며 상용화 수준을 기록했다.

현재 상용 실리콘 태양전지 모듈 효율이 21~22% 수준이다.

연구팀은 장시간 야외 환경에서의 신뢰성 검증과 대규모 연속 생산 공정 최적화 연구를 이어갈 계획이다.

이 기술이 상용화되면 건물 외벽 전체를 발전소처럼 활용하는 BIPV와 차량 부착형 태양전지 시장 확대에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

정의혁 한국에너지공대 교수는 “실험실 최고 효율보다 실제 산업 공정에서 안정적으로 작동하는 기술이 더 중요하다”며 “이번 연구는 공정 안정성과 재현성을 동시에 확보했다는 데 의미가 있다”고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 지난 11일 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 온라인에 게재됐다.

(논문명: Amorphous π-Conjugated Passivator Facilitates Widening Process Window for Reliable Perovskite Solar Modules / 저k: 정의혁 교수(교신저자/KENTECH), 전남중 박사(교신저자/한국화학연구원), 이재민 박사(교신저자/한국화학연구원), 김현서 박사과정 (제1저자/KENTECH), 김영윤 박사(제1저자/한국화학연구원), 나혜진 연구원 (제1저자/한국화학연구원))

이재형 기자 jh@kukinews.com