태양전지의 블루칩, 페로브스카이트

태양전지의 블루칩, 페로브스카이트

 

대학생신재생에너지기자단 18기 서현영, 19기 김아현, 서명근

 

[자료 1. 네이처 표지를 장식한 서장원 박사팀의 페로브스카이트 연구]

출처 : nature

 지난 25일, 대한민국을 깜짝 놀라게 한 사건이 발생했다. 국내 연구진의 페로브스카이트 태양전지 논문이 세계 최고의 학술지인 네이처(nature) 표지에 실린 것이다. 이 논문의 저자인 한국화학연구원 서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 25.2%(0.1㎠ 기준)까지 향상했다고 발표했다.

 

[자료 2. 태양전지의 세대별 분류]

출처 : 에너지움

 그렇다면 세계가 주목하는 차세대 태양전지 페로브스카이트는 무엇일까? 이를 알아보기에 앞서 태양전지에 대해 먼저 말하고자 한다. 태양전지는 태양광 발전의 핵심 부품으로, 광원인 빛에너지를 전기로 바꾸는 역할을 한다. 태양전지의 효율은 발전량과 직결되기 때문에 이를 높이기 위한 소재 연구가 계속되었고, 이에 따라 태양전지는 3세대로 나뉘었다. 태양광 발전의 시작이라 할 수 있는 1세대 태양전지는 웨이퍼에 기반을 두고 다결정질(polycrystalline), 단결정질(single crystalline) 실리콘을 이용해 만들어졌다. 2세대는 박막(thin film) 태양전지로 유연성이 크게 향상되었다. 비결정질(amorphous) 실리콘, CdTe(카드뮴 텔류라이드), CISG(구리 인듐 갈륨 셀레나이드)을 사용한 태양전지가 대표적이다. 현재 상용화된 1, 2세대 태양전지는 약 10~15%의 효율을 가지고 있으며 가격과 유연성 면에서는 2세대 태양전지가 우위를 점하고 있다. 그리고 1, 2세대의 효율과 단점을 극복한 것이 3세대 태양전지이다. 차세대 핵심기술로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지(PSC)가 이에 해당하며 이 외에도 유기물(OPV), 양자점(QDSC) 등을 이용한 태양전지가 있다.

 

[자료 3. 페로브스카이트의 구조]

출처 : 한국일보

 이 중에서 페로브스카이트는 일본의 미야자카 교수팀이 2009년 3.8%의 효율을 처음 보고한 이후 빠르게 성장해왔다. 짧은 시간 동안의 성장이 가능했던 이유 중의 하나는 페로브스카이트 그 자체에 있다. 페로브스카이트는 처음에 CaTiO3 광석의 이름으로 불렸으나, 연구가 지속되며 같은 결정 구조를 갖는 물질을 총칭하는 용어가 되었다. 즉, AMX3의 화학식을 가지는데 이때 주로 A는 유기분자 양이온, M은 금속 양이온, X는 할로겐 음이온으로 구성되며 구성 원소에 따라 태양 전지의 성능과 성질이 달라진다. 따라서 지금도 더 효율을 높이기 위해, 더 친환경적인 전지를 만들기 위해, 안정성을 높이기 위해 등 다양한 이유로 페로브스카이트 소재에 대한 연구는 지속되고 있다.

 

[페로브스카이트 태양전지의 구조와 작동 원리]

 페로브스카이트 태양전지의 원리를 알기에 앞서 일반적인 태양전지의 원리를 먼저 파악해야 한다. 태양전지는 P-N 접합면을 가지는 반도체 접합 영역에 특정 주파수 이상의 큰 에너지의 빛이 조사되면 전자와 정공이 발생하여 접합 영역에 형성된 내부 전기장이 전자는 N형 반도체로, 정공은 P형 반도체로 이동시켜 기전력이 발생한다.

 

[자료 4. 태양전지의 기본 구조]

출처 : 썬랩

이러한 태양전지의 기본 원리를 토대로 페로브스카이트를 이용한 태양전지에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 현재 알려진 페로브스카이트 태양전지의 기본 구조는 다음과 같다.

 

[자료 5. 페로브스카이트 태양전지 기본 구조]

출처 : Chemistry World

페로브스카이트 태양전지의 구조는 위 그림과 같이 투명전극(FTO), 나노입자(TiO2;이산화티타늄), 페로브스카이트(Perovskite), 홀 전달체(HTM), 금(Au) 구조를 가진다. 

페로브스카이트 태양전지를 제작할 때 대표적으로 ITO, IZO, FTO와 같은 투명 전도성 산화물의 기판을 이용하는데, 450℃ 이상의 열처리가 필요한 페로브스카이트 태양전지에서는 계면 간 저항 증가로 인하여 광전 변환 효율의 감소를 가져올 수 있기 때문에 저항이 낮고 저항변화가 적으며 투과율이 높은 특성을 갖는 FTO기판을 주로 사용한다.

페로브스카이트를 흡착할 수 있는 광전극 소재로 사용되는 이산화티타늄(TiO2)은 나노 크기(40~50nm)의 다공질의 구조로 되어 있다. 다공질 구조는 보통 화산암에서 많이 나타나는 구조로, 암석 내에 포함되어 있던 팽창된 가스가 빠져나가서 생기는 구멍을 기공이라고 하는데 이 기공이 많은 것을 다공질이라 한다. 제조하기 용이하고, 다공성 비표면적 증가로 페로브스카이트 물질의 흡착을 증가시켜 광입자의 최대 흡수를 통해 에너지 변환 효율을 증대시켜주는 역할을 한다. 

일반적으로 사용하는 광흡수체(HTM)는 spiro-MeOTAD이다. 이는 유리 전이 온도가 120℃로 높아 다른 유기 단분자들에 비해 안정하다는 특성을 가지고 있다. 페로브스카이트 태양전지에서 사용되는 후면전극은 금(Au)과 같이 전기화학적으로 안정성 높은 재료를 전극으로 사용해야 된다.

400~800nm 파장의 빛이 투명전극(FTO)을 투과하여 빛이 조사되면 페로브스카이트 층 내에서 전자와 정공 쌍이 생성 및 분리되며 전자는 전자 전달층인 반도체 산화물 나노입자(TiO2)의 전도대로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 전이된 전자는 나노 입자 간 계면을 통해 기판으로 전달되고, 생성된 정공은 홀 전도체를 통해 반대 방향으로 이동하게 되어 상하부에 전위차가 발생하여 전류를 발생시키게 된다.

기존 효율을 증대시킬 수 있었던 것은 페로브스카이트를 염료로 사용하면 n-형, p-형으로 전하 분리뿐만 아니라 페로브스카이트 광흡수 물질 자체가 광전하를 축적하여 전하 분리 과정에서 발생되는 손실을 방지한다는 점에 있다.

 

[기존 태양전지와의 비교]

 페로브스카이트 태양전지는 현재 널리 쓰이고 있는 실리콘 소재 태양전지와 다르게 소재 특성상 동일한 페로브스카이트 결정구조에서 다양한 조성으로 합성할 수 있는데, 이때 조성에 따라 밴드갭이 변한다는 특성이 있다. 밴드갭(band gap)은 반도체, 절연체의 띠구조에서 전도대와 가전자대 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 말한다. 한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀에서는 기존 광흡수체 조성의 비율을 조절하여 밴드갭을 조절할 수 있음을 보고하였으며 이는 페로브스카이트 태양전지가 탠덤 태양전지를 위한 잠재력을 가지고 있음을 시사하는 연구 결과이다.

 

[자료 6. 에너지 밴드갭]

출처 : SK hynix newsroom

기존의 태양전지와 구별되는 또 다른 장점은 고온의 열처리가 필요하지 않다는 것이다. 실리콘은 모래의 주성분인 실리카(SiO2)에서 산소를 떼어내 만든 것인데, 이를 만드려면 1,000℃ 이상의 고온이 필요하고 공정이 복잡해진다. 반면 페로브스카이트 태양전지는 기존의 태양전지 연구와 달리 고온에서 열처리를 하지 않아도 되고, 용액 속에 양이온과 음이온으로 구성된 출발 물질을 섞어 코팅만 하면 만들 수 있다고 한다. 실리콘 태양전지에 비하면 제조 공정이 가히 혁신적이며, 그만큼 단가도 낮아져 실리콘이 가진 한계를 뛰어넘을 수 있다.

 

[화학연 페로브스카이트 태양전지 소재 개발, 네이처 표지 논문 장식]

앞서 소개했듯 지난 2월 25일 국내 연구진의 논문이 네이처 표지를 장식하였다. 

서장원 박사 연구팀은 이번 연구를 통하여 페로브스카이트의 광전변환효율을 25.2%(0.1㎠ 기준)까지 크게 향상시켰다. 광전변환효율이란 태양전지에 입사되는 태양광 에너지와 출력되는 전기에너지의 비를 의미하며 태양전지가 빛을 전기로 전환하는 비율을 나타내는 지표이다. 태양전지의 효율을 결정하는 가장 중요한 요소는 전류와 전압이다. 전류와 전압이 높을수록 태양전지의 효율은 높아진다. 연구팀은 전자 수송층을 개발하여 전자의 이동을 원활하게 함으로써 전압을 높였고, 페로브스카이트 층 소재의 비율을 적절하게 조절하며 많은 전자를 흐르게 하여 전류를 높였다.

1) 화학용액증착법을 통해 새로운 전자 수송층 개발

 

[자료 7. 페로브스카이트의 구조와 전자수송층 표면]

출처 : 한국화학연구원

전자수송층은 전자의 이동에 관여하는 곳으로, 태양전지의 광활성층인 페로브스카이트 층과 투명 전극 사이에 존재한다. 연구팀은 화학용액증착법을 통하여 새로운 전자수송층을 개발하였다. 화학용액증착법이란 투명 전극 위에 주석산화물(SnO2) 등을 합성시켜 전자수송층을 형성하는 기술이다. 이들은 주석산화물이 강한 산성의 환경에서 결함이 줄어드는 것을 발견하였다. 결함이 줄어들면 촘촘한 상태가 되어 결정성이 향상되고, 전자의 이동 과정에서 전자 재결합이 억제되는 효과를 가져온다. 이를 통하여 태양 전지의 전자 이동이 쉬워져 전압이 높아지며 높은 효율의 특성을 나타냈다.

2) 페로브스카이트 표면처리 기술 개발

태양 전지는 많은 빛을 흡수할수록 다량의 전자가 튀어나오면서 높은 전류가 발생한다. 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 흡수가 어려운 노란색 결정들이 섞여있는 구조이다. 연구팀은 페로브스카이트에 브롬(Br)을 특정한 비율로 섞었을 때 더욱 많은 검정색 결정을 확보할 수 있다는 것을 발견하였고, 이를 통해 페로브스카이트 태양 전지는 많은 빛을 흡수할 수 있게 되어 전류가 높아졌다.

3) 발광소자로서의 페로브스카이트

또한 한국화학연구원은 페로브스카이트가 발광소자로 활용될 수 있다는 점도 확인했다. 기존 페로브스카이트의 발광효율은 5~10%에 미쳤는데 새로 개발된 소재들을 통해 구동한 결과 최고 17.2%의 효율을 보여주었다. 이는 페로브스카이트 태양 전지의 발광소자 효율(LED EQE)에서는 가장 높은 수치이며 페로브스카이트 태양 전지가 디스플레이 분야에도 적용할 수 있음을 시사했다.

한국화학연구원의 서장원 박사는 “보고한 25% 이상의 높은 효율은 이론 효율의 80.5%에 해당한다.” 면서, “실리콘 태양전지의 최고 효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.

또한 공동 교신저자인 신성식 박사는 “이번 연구를 통하여 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했다” 라면서 페로브스카이트의 발전 가능성에 대해 언급했다.

 

[페로브스카이트-실리콘 텐덤 태양전지]

텐덤 태양전지란 두 개의 서로 다른 반도체를 이어 결합하여 서로 다른 빛의 스펙트럼 부분을 전기 에너지로 변환하는 직렬 셀을 말한다. 즉 기존 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트를 쌓아서 광전환율을 더욱 높이는 기술이다.

 

[자료 8. 페로브스카이트-실리콘 텐덤 태양전지의 구조와 종류별 빛 흡수 파장 그래프]

출처 : Orange Energy, NRFL

[자료 8]에서 확인할 수 있듯 페로브스카이트는 청색 파장대 영역을 흡수하고, 실리콘 태양전지는 적색 파장대 영역을 흡수한다. 따라서 서로 흡수할 수 없는 영역의 파장을 상호 보완하여 더욱 높은 효율을 이끌어낼 수 있는 것이다.

최근 옥스퍼드 PV는 작년 12월 페로브스카이트-실리콘 텐덤 태양전지의 효율을 29.52%까지 높이는 데 성공하며 신기록을 수립하였다. 이에 따라 옥스퍼드 PV 측은 태양에너지가 2050년까지 전 세계 발전량의 50%를 책임질 것으로 예상한다면서, 태양에너지가 전 세계 에너지 공급의 탈탄소화에 중요한 역할을 할 것이라고 밝혔다.

 

[우리의 일상을 바꿀 페로브스카이트]

이렇듯 끊임없는 연구가 진행되고 있는 페로브스카이트 태양전지는 다양한 분야에 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 실리콘 태양전지의 1/60 수준인 두께와 가볍고 유연하며 반투명성을 띠는 특성으로 도심에서 사용도가 높아질 것이다. 다양한 색상으로 미학적인 특징을 살려 건물 외벽에 부착하는 태양전지나 건물 일체형 태양전지(BIPV), 그리고 차량용 태양전지로도 응용될 수 있다. 긴 수명을 요구하지 않는 제품 적용형 태양전지(DIPV)나 휴대폰 기기 전원으로 먼저 상용화될 가능성도 존재한다. 이 외에도, 페로브스카이트 태양전지의 내부 결함 제어 및 액체금속 밀봉 기술을 이용해 이산화탄소 배출 없이 수소를 얻는 기법도 발전 중에 있다고 한다.

하지만 아직 꿈이 현실이 되기까지는 많은 시간을 필요로 한다. 현재 작은 면적에서의 효율은 많이 향상되었으나 이를 유지하면서 대면적으로 상용화하기에는 기술이 부족하다. 유기물이 사용되기 때문에 열과 수분에 취약한 문제 즉 내구성의 문제도 아직 완전히 해결되지 않았다. 또한, 연구가 이루어지고 있는 대부분의 페로브스카이트(ex. CH3NH3PbI3)에는 납(Pb)이 포함되는데, 이를 이용한 태양전지를 도심에서 쓰게 될 경우 환경적인 문제가 발생할 수도 있기 때문에 대체할 물질을 찾는 것도 시급하다.

그럼에도 불구하고 페로브스카이트 태양전지는 우리의 삶을 바꿀 것으로 기대된다. 내구성과 안정성을 보완하기 위한 노력으로 나날이 발전하고 있기 때문이다. 일상 속에 태양광이 자연스러운 모습으로 자리 잡는 그날까지 페로브스카이트 연구가 계속되길 희망해본다.

 

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참고문헌

[서론]

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2) 정한교, “[칼럼] 가속화되는 ‘페로브스카이트 태양전지’ 개발, 태양광발전의 미래될까?”, 인더스트리뉴스, 2020.12.30, http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=40841

3) “태양전지”, 네이버화학사전, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662724&cid=62802&categoryId=62802

[페로브스카이트 태양전지의 구조와 작동 원리]

1) 김지원, "광 전극 제어를 통한 페로브스카이트 태양전지 특성연구." 국내석사학위논문 가천대학교 일반대학원, 333.7923, 8-11, 2017.02

2) “다공질”, geowiki, 2012.11.15, http://geowiki.korearth.net/index.php/%EB%8B%A4%EA%B3%B5%EC%A7%88

3) “태양전지”, 위키피디아, 2021.03.02, https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91_%EC%A0%84%EC%A7%80

[기존의 태양전지와 구별되는 장점]

1) “밴드갭”, 위키피디아, 2020.05.04, https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%9D%A0%ED%8B%8

2) 박익재, 김동회. “고효율 적층형 태양전지를 위한 유무기 페로브스카이트. 세라미스트”, 22(2), 146-169, 2019

3) 정민주, "장기안정성을 가지는 고효율 페로브스카이트 태양전지 제작을 위한 자발적인 계면 제어에 대한 연구", 7-8, 국내석사학위논문 고려대학교 대학원, 2020.01

4) UNIST Magazine, UNIST News Center, “당신의 내일을 여는 기술, 페로브트로닉스”, 2017.02.15, http://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2016-winter_first-in-change/

[화학연 페로브스카이트 태양전지 소재 개발, 네이처 표지 논문 장식]

1) 김영준, “화학연, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발…네이처 표지논문 게재”, Etnews, 2021.02.25, https://www.etnews.com/20210224000043

2) 이근영, “한국 선도 ‘차세대 태양전지’, 기존 소재 따라잡았다”, 2021.02.25, http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/984395.html#csidx3aacff363e126088cc0b6a971f30585

3) 조승한, “한국, 차세대 태양광 페로브스카이트 공식 비공식 최고효율 기록 획득”, 동아사이언스, 2021.02.25, http://dongascience.donga.com/news.php?idx=44265

4) 한국화학연구원, “한국화학연구원, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발… 네이처지 표지논문 게재”, 2021.02.25, https://www.krict.re.kr/news/bbs/view/tableid/news/id/96396

[페로브스카이트-실리콘 텐덤 태양전지]

1) 이재은, “성능좋고 값싼 차세대 태양전지 '페로브스카이트'… 한화·美·英, 상용화 경쟁”, chosunbiz, 2021.01.06, https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2021/01/05/2021010502670.html

2) 전력연구원, “페로브스카이트 태양전지의 미래”, 2019.06.06, https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=20750277&memberNo=41515312

3) HARSH SHUKLA, “Oxford PV’s New Record Efficiency of 29.52% for Perovskite Silicon Tandem Solar Cells, Mercominda, 2021.01.16, https://mercomindia.com/oxford-record-efficiency-perovskite-solar/

[우리의 일상을 바꿀 페로브스카이트]

1) 김경준, “달리는 차·건물 외벽에서 태양광 충전… '무한 발전시대' 온다”, 한국일보, 2021.02.27, https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2021021710440003626?did=NA

2) 김봉수, “차세대 태양전지로 수소 생산 효율↑ 기법 발견”, 아시아경제, 2021.03.04, https://view.asiae.co.kr/article/2021030410570739421

3) 소준영, 한국전력 전력연구원, “한국전력 전력연구원, 페로브스카이트 태양전지의 미래”, 2019.06.05, https://m.blog.naver.com/kepri5086/221553308583

4) 정한교, “[칼럼] 가속화되는 ‘페로브스카이트 태양전지’ 개발, 태양광발전의 미래될까?”, 인더스트리뉴스, 2020.12.30, http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=40841

5) 정한교, “[칼럼] ‘페로브스카이트 태양전지’ 상용화, 발전효율에 걸맞은 안전성·신뢰성 확보 필요”, 인더스트리뉴스, 2021.02.20, http://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=41388