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에탄올 기반 저독성 용매로 고효율 페로브스카이트 태양전지 만든다 2022-08-19
한음표 기자 hup@mtnews.net


▲ 친환경 용매를 이용해 고효율 페로브스카이트 태양전지를 만드는 기술이 개발됐다. UNIST 윤현성 연구원이 에탄올 기반 페로브스카이트 용액을 손에 들고 있다.



[기계신문] 페로브스카이트 태양전지는 현재 상용화되어 있는 실리콘 태양전지와 달리, 저온의 용액공정으로 제조할 수 있고 효율은 유사하다. 또, 물질이 유연해 ‘유연 태양전지’ 혹은 ‘반투명 태양전지’로도 만들 수 있어 여러 차별적 특성을 활용한 차세대 태양전지로 활발한 연구가 진행 중이다.


현재 페로브스카이트 박막을 기판 위에 형성하는 가장 일반적인 방법은 ‘비용매 적하 공정’이다. 이는 다이메틸포름아마이드(DMF) 같은 독성인 용매에 페로브스카이트 물질을 용해해 코팅하면서 빠른 핵 생성이 가능할 수 있도록 하는 방법이다.


그런데 이 방법은 대면적에서 균일한 박막을 형성하는 데 크게 불리하다. 또한 산업현장에는 독성 용매의 사용이 제한되므로 상용화에는 걸림돌이 될 수 있다.


이런 가운데, UNIST 에너지화학공학과 석상일 특훈교수 연구팀이 ‘에탄올 기반의 친환경 용매’에 ‘할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)’를 용해해 코팅하는 방법으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다.


이렇게 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율은 25% 이상으로, 현재 저독성 용매를 사용한 것 중에서 가장 높다. 참고로, 독성 용매로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 25.7%이다.


연구팀은 독성이 없으면서 페로브스카이트를 녹일 수 있는 용매 기반 물질로 ‘에탄올’을 선택했다. 다음으로 페로브스카이트가 에탄올에 잘 녹을 수 있도록 착화합물(complex) 구조를 설계했다.



▲ 에탄올 기반 용액으로 코팅된 박막의 표면 및 제조된 소자의 효율. (a) 페로브스카이트 박막 표면에 대한 투과 전자현미경 관찰 사진 (b) 페로브스카이트 태양전지의 J(전류밀도)-V(전압) 커브



이를 이용해 ‘에탄올 기반의 페로브스카이트 전구체 용액(이하 에탄올-페로브스카이트 용액)’을 만들었는데, 이 물질은 친수성이라 산화물 전극 위에 잘 발라진다. 또, 코팅 중 2차 처리를 하지 않아도 매우 균일하고 치밀하게 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다.


석상일 교수는 “페로브스카이트와 결합해 용해성이 우수한 착화합물을 제조한 게 이번 기술의 핵심”이라며 “코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발하는 속도를 제어할 수 있는 결합물 조합을 최적화해 치밀하고 균일하면서 결정성이 우수한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다”고 설명했다.


에탄올-페로브스카이트 용액은 산화물 전극 기판 위에 떨어뜨려서 젖게 하는 것만으로도 대면적이며 균일한 두께의 페로브스카이트 코팅 박막이 만들어졌다. 특히 이 방법으로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 일반적인 스핀 코팅 방법으로 제조한 효율과 거의 차이가 없었다.


이번 연구에 참여한 이용희 UNIST 에너지화학공학과 교수는 “대면적 제조가 가능한 데다 용매의 처리 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 뜻깊은 연구”라며 “이번 연구에서 새로운 공정에서 일어나는 과학적 원리를 밝혀 정리한 만큼 향후 다양한 친환경 용매로 확장 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.


석상일 교수는 “페로브스카이트 태양전지 연구는 그동안 효율과 안정성 향상에 집중했는데, 이제는 독성 용매의 사용을 줄이거나 없애는 상용화 기반 연구가 더욱 중요한 시점”이라며 “이번 연구는 이 문제를 해결할 출발점”이라고 강조했다.



▲ 에탄올 기반 페로브스카이트 용액 제조. (1) 페로브스카이트는 에탄올에 용해되지 않음 (2) 페로브스카이트를 용해하는 용매와 에탄올과의 혼합 용매에서도 용해되지 않음 (3) 본 연구를 통한 복합체의 제조로, 에탄올에 용해된 페로브스카이트 용액



한국연구재단 리더연구자지원사업, 학문균형발전지원사업, 국방과학기술연구소(ADD) 미래도전국방기술사업 등의 지원으로 이뤄진 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 현지시각 8월 18일자에 공개됐다.


한편, 페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리, 얇고 가볍고 유연하며 용액공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다. 전하(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 페로브스카이트를 쓴다.


석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지로 ‘마의 효율’이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 인물이다. 세계 최고의 공인 효율을 스스로 여섯 차례나 경신했으며 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다.


이는 2012년에 독자적으로 개발한 페로브스카이트 이종접합 n-i-p 태양전지 구조에 바탕을 두며, 지금도 25% 이상 고효율 페로브스카이트 태양전지는 모두 이 구조를 갖는다.


석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로로 2022년 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics) 공동 수상자로 선정됐다. 이 상은 영국 랭크 재단에서 수여하는 것으로 노벨상 수상자를 배출한 저명한 과학상이다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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