세계 최고 효율 무기 납-주석 페로브스카이트 태양전지 개발…고온·고습에도 ‘무적’

▲ (위) 조성 고정 성장(CPG) 공정을 이용한 무기 페로브스카이트 박막의 조성 및 전기적 특성 균일성 향상

▲ (아래) 조성 고정 성장(CPG) 공정을 이용한 무기 페로브스카이트 태양 전지의 성능 향상

한여름 뙤약볕 아래에서도, 습한 장마철에도 끄떡없다. 고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 임상혁 교수 연구팀이 ‘조성 고정 성장(CPG)’ 전략을 통해 100% 무기물로 만들어진 고효율 납-주석 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

*조성 고정 성장(Composition-Pinned Growth, CPG): 용매 증발과 결정화 과정을 동시다발적인 연속 공정으로 압축함으로써, 박막 전체에 균일한 조성을 고착화하는 경로 제어 기술

무기 납-주석(Pb-Sn) 페로브스카이트는 태양광을 낭비 없이 가장 효율적으로 흡수해 전기로 바꾸는 최상의 조건(이상적인 밴드갭)을 제공한다. 게다가 기존 유기·무기 하이브리드 소재보다 열적 안정성도 뛰어나 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다.

하지만 태양전지의 핵심 구조인 박막 형성 시 납과 주석 성분의 결정화 속도 차이로 인해 표면에 주석이 과도하게 농축되면서 불균일한 조성을 띄는 고질적인 문제가 있었다. 태양전지의 주재료인 납·주석·세슘을 용매에 넣어 녹이고, 유리판 위에 얇고 고르게 도포한 뒤 열을 가해 용매를 증발시키면, 남은 원자들이 단단히 결합하며 구조를 이루는 상태(결정화)가 된다. 기존 방식은 이 과정이 길어 주석이 납보다 먼저 결정화되며 성분이 불균일해지는 한계가 있었다. 

이러한 결정화 불균일성은 산화를 촉진해 결함을 유발하며, 특히 실제 상용화 가능한 크기(대면적)로 만들 때 성능과 구동 안정성을 크게 떨어뜨리는 주요 원인이었다. 연구팀은 기존 공정 대비 용매 증발 및 결정화에 이르는 시차를 대폭 단축하는 조성 고정 성장 전략을 도입해 이를 극복했다. 쉽게 말해, 용매의 급속 증발과 즉각적인 결정화를 동시다발적으로 유도함으로써 원자들이 분리될 시간적 여유를 없애 균일한 성분비가 유지되도록 혁신적인 공정법을 제시한 것이다. 

이를 통해 결정화 과정에서 주석과 납이 분리되는 현상을 억제하고, 박막 전체에 걸쳐 균일한 납/주석 조성을 형성하는 데 성공했다. 그 결과, 표면 주석 산화와 결함 밀도를 획기적으로 낮췄다. 또 태양전지 안에서 발생하는 전기 누수인 ‘비발광 재결합’을 줄여 태양광 발전에 훨씬 유리한 광전자적(빛을 전기로 변환하는 효율과 성질) 특성을 확보했다.

연구팀이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 단위 셀(Unit-cell) 기준 최대 19.37%의 전력 변환 효율(PCE)을 기록했으며, 이는 현재까지 보고된 무기 납-주석 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 성능이다. 더욱이, 이 기술은 대면적 생산 공정(스프레이 코팅 등)에도 적합하여, 64cm2 면적의 대형 페로브스카이트 태양광 모듈(PSM)에서도 17.03%의 높은 모듈 효율을 달성했다.

안정성 측면에서도 괄목할 성과를 거뒀다. 85℃ 고온 및 85% 상대습도의 가혹한 환경에서 1,000시간 연속 구동한 후에도 초기 효율의 약 87%를 유지하며 탁월한 장기 내구성을 입증했다.

임상혁 교수는 “이번 연구는 박막 성장 경로를 정밀하게 제어하는 기술이 무기 납-주석 페로브스카이트의 성분 불균일성과 산화 문제를 해결할 수 있는 핵심임을 입증했으며, 향후 크기 확장이 가능한 고효율·고안정성 차세대 태양광 소자 상용화에 중요한 기반을 마련할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

본 연구 성과는 재료공학분야 국제 학술지 ‘InfoMat(IF=22.3)’ 온라인에 5월 26일 게재됐다. 

*논문명: Composition Pinning Growth for Efficient and Stable All-inorganic Pb-Sn Perovskite Solar Cells

*DOI: 10.1002/inf2.70153

*URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.70153

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 기초연구(리더연구), 나노·소재기술 개발사업, 극한환경원자력전원공급시스템개발, 및 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

▲(왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 박진경 연구교수(제1저자), 고려대 이형준 석박통합과정(제1저자), 고려대 임상혁 교수(교신저자), 중국 톈진대 화학공학부 페이 장(Fei Zhang) 교수(교신저자), 중국 톈진대 허진혁 교수(교신저자)