결정성장 기술 통해 태양전지 고효율화 실현
황 주 상 기자
페로브스카이트는 ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다. 특히, 양이온에 유기물을 사용할 경우 태양전지 의 효율성이 높아진다는 특성이 있다.
이러한 페로브스카이트의 성질을 활용한 페로브스카이트 태양전지는 최근 높은 효율과 낮은 공정단가로 인해 각광을 받는 차세대 태양전지 기술이다.
이번 연구를 진행한 성균관대학교의 박남규 교수를 중심으로 한 연구진은 페로브스카이트 필름을 제조하는 과정중 요오드화메틸암모늄의 농도를 조절할 경우 페로브스카이트 결정 크기가 다르게 성장한다는 사실을 발견해 최종적으로 17.01%의 고효율 태양전지 개발에 성공했다.
결정성장 기술 통해 고효율 달성
이번 연구결과에서 관련업계의 가장 눈길을 끈 부분은 평균효율이 0.4% 이하의 표준편차를 보이며 월등한 재현성의 제조공정을 개발했다는 사실이다.
일반적으로, 페로브스카이트 태양전지는 투명전도성 기판 위에 탄소와 질소로 구성된 유기물 용액과 요오드 기반의 무기물 용액을 코팅해 매우 얇은 페로브스카이트 필름으로 만든다.
이때 페로브스카이트 필름의 제조방식에 따라, 태양전지 성능이 달라지게 된다. 이번 연구개발을 통해 페로브스카이트 태양전지를 개발한 박남규 교수는 “페로브스카이트 필름이 효율적인 빛 흡수와 전자를 최대한 모을 수 있도록 설계 및 제조되면 전기 생산량을 최대한 높일 수 있다”고 전했다.
투스텝 공정으로 이뤄낸 재현성
연구팀이 개발한 평균효율 표준편차 0.4%이하의 재현성 높은 공정은 이른바 투스텝 공정으로 첫 번째 단계에서 PbI2를 코팅하고 두 번째 단계에 CH3NH3I를 코팅해 CH3NH3PbI3를 제조하는 것이다.
특히, 이번 연구를 통해 연구진은 태양전지 성능이 페로브스카이트 결정 크기에 상당부분 의존하고 있다는 사실을 발견해 이번 연구결과에 큰 영향을 준 것으로 알려졌다.
연구진에 따르면, 페로브스카이트 결정이 큰 것이 작은 결정에 비해 효율을 더 높일 수 있으며, 이는 고효율의 원인으로 결정이 클수록 전류가 크기 때문이라 분석된다. 이와 함께 연구팀은 페로브스카이트 필름 제조시, 유기물 농도를 크게 하면 페로브스카이트 결정이 작아지고, 반대로 유기물 농도를 줄이면 페로브스카이트 결정이 크게 성장한다는 사실을 발견했다.
이는 곧 투스텝 공정에서 H3NH3I 농도를 고농도에서 저농도로 감소할 경우 페로브스카이트 결정이 약 100nm에서 약 700nm 로 크게 성장한다는 것이다.
연구진은 이번 연구결과를 통해 발견한 ‘농도변화에 따른 결정성장여부와 효율과의 관계’를 증명하기 위해 처음 작은 결정이 씨앗으로 만들어 진 후, 20초 후 성장한 결정이 큰 결정으로 변모하는 과정을 시간추적 전자현미경을 통해 관찰했다.
이에 연구진은 저농도에서는 결정성장이 쉽게 이뤄지는 가운데, 고농도에서는 초기에 이미 작은 결정이 빈 공간 없이 형성돼 더 이상 결정성장이 일어나지 않는 것을 확인했다. 연구진은 이러한 농도에 따른 페로브스카이트 결정 성장 기술을 활용해 광전류 21.64mA/cm2, 광전압 1.056V인 17.01%의 고효율 태양전지 개발에 성공했다.
박남규 교수는 “이번 태양전지는 기존 페로브스카이트 태양전지의 효율인 16%를 뛰어넘는 것은 물론, 평균효율의 표준편차가 0.4%이하로 공정재현성도 우수해 즉시 양산화에 적용할 수 있을 것으로 예상된다”고 전했다.
SOLAR TODAY 황 주 상 기자 (editor@infothe.com)
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