한국화학연구원은 화학소재연구본부 서장원 박사팀이 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 신개념 페로브스카이트 박막 기술 DHA(Double-layered Halide Architecture·이중층 할로겐화물) 개발에 성공했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교해 제조가 쉬운데다 제작원가는 평균 5배 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있으며 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.

그동안 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서는 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제가 필요한데다 안정성도 취약했다. 또한 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 대량생산과 일정하고 균일한 성능 확보도 동시에 요구되는데 기존 정공수송소재로는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 ‘전도성 상용 고분자’ P3HT에 주목했다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 했으나 16%(단위소자 기준) 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다.

이를 해결하기 위해 연구진은 태양광을 흡수하는 3차원 결정구조를 갖는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 신규 할로겐화물 박막을 형성시켜 DHA라는 새로운 구조의 박막기술을 개발했다. 빛에 의해 활성화되는 광활성층인 페로브스카이트 박막표면과 P3HT 사이에 HTAB분자를 도입해 DHA를 만든 것이다. 특히 이번 연구에서는 첨가제 없이 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 특성을 활용해 태양전지의 안전성 문제도 해결했다.

이번 연구를 주도한 화학연구원 서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”고 말했다. 이어 “페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대되며 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능해 상용화에 한발 다가서게 됐다”고 말했다.

한편 이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다.