스토리
[Trend Check] 페로브스카이트 태양전지의 내구성을 높여 차세대 태양전지로써의 가능성을 보이다
그동안 다양한 태양전지들이 개발되었으나 10% 정도의 낮은 효율로 상용화가 어려운 상황이었다. 이에 비해 페로브스카이트 태양전지는 저렴한 원가에 비해 높은 효율을 보여 가장 기대되는 차세대 태양전지이다.
페로브스카이트 태양전지
유기물과 무기물이 혼합된 페로브스카이트 결정 구조를 태양광을 흡수시키는 부분으로 활용하는 박막형 태양전지이다.
즉, 빛을 받아 전류가 발생되는 광활성층이 페로브스카이트 물질로 이루어진 전지를 말한다. 페로브스카이트층은 전자 전달층과 정공 전달층 사이에 위치한다. 전자전달층은 페로브스카이트에서 생성된 전자를 음극으로, 정공전달층은 정공을 양극으로 전달하는 역할을 한다.
페로브스카이트 태양전지는 유기단분자 정공전달물질인 'Spiro-OMETAD'를 포함한다.
정공전달물질
‘전자’는 음전하를 갖는 소립자이며, ‘정공’은 그 이름에서 알 수 있듯이 전자의 빈 자리이다. 이는 양의 전하를 띈 입자와 같은 역할을 하는 가상의 입자이다. ‘정공전달물질’은 광활성층인 페로브스카이트로부터 정공을 전달받아 양극으로 이동시켜주는 물질이다.
'Spiro-OMeTAD'는 고효율의 페로브스카이트 태양전지와 연료감응태양전지 등에서 주로 사용되고 있는 정공전달물질이다. 이는 페로브스카이트 광활성 소재로, 이온 화합물로 수분과 산소에 취약하다. 특히 유기물로 구성된 정공 수송층은 습기의 영향을 받으면 불안정해지는 성격을 가지고 있다. 페로브스카이트 태양전지가 빛을 받아 만든 양전자 입자인 정공을 나르는 정공 수송*층이 대기의 수분도 흡수하도록 유도해 페로브스카이트 물질의 변질을 초래하는 것이다. 이는 태양전지의 내구성을 떨어뜨려 장기 안정성을 저하시킨다.
* 수송 : 물질을 흡수하거나 배출하는 것
내구성이 개선된 페로브스카이트 태양전지
이에 서강대학교 화공생명공학 문준혁 교수 연구팀은 외부자극이나 오염, 화학물질로부터 표면을 보호하여 장기간 구동이 가능하며 높은 효율을 가진 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 외부를 발수성 물질로 코팅하여 보호하는 방법을 개발하였다. 이후에는 페로브스카이트 태양전지의 외부에 나노코팅 기술로 폴리실리잔을 기반으로 한 코팅제를 코팅한 후 외부로부터의 수분을 차단하여 내구성을 강화하였다.
연구진이 개발에 이용한 금속산화물을 함유한 다공성 구조체의 다공성 구조는 단위 질량당 전체 표면적을 높여 물질이 잘 붙도록 한다. 이에 탄소를 덧입혀 태양 빛의 흡수율을 한층 더 높였다.
개발된 태양전지의 성능 측정 결과 10개 셀 평균 16.5%의 효율을 달성
해당 기술은 차별화된 무기계-폴리실라잔**의 강력한 결합력으로 발수성과 내구성을 높이고 나노코팅 기술을 이용하여 표면에 강력한 필름막을 형성함으로써 페로브스카이트 태양전지가 기존의 실리콘 태양전지를 대체하는 날이 머지않았음을 보여주었다.
㈜ 제미니이노베이션은 해당 기술의 이전을 희망하였으며 2019년 09월 서강대학교 산학협력단과 ‘다지형 나노입자의 황 복합체를 포함하는 리튬-황 전지의 양극 활물질, 이를 포함하는 리튬-황 전지, 및 다지형 나노입자의 물리적 합성 방법’에 관한 기술 이전 계약을 체결하였다.
해당 기술은 태양전지 내부의 나노입자 코팅과 폴리 실리잔 도입으로 제조 공정을 간소화하고 원가를 절감할 수 있을 것이다. 이뿐만 아니라 신규고분자 물질을 이용해 소재 코팅 분야에서 우수한 성능을 나타낼 수 있기 때문에 자동차와 인조대리석 분야 등 산업적으로 매우 큰 파급효과가 기대된다.
**폴리실라잔 :
액체 유리 타입의 물질로 가공되어 강력한 보호 코팅막을 형성하는 목적으로 사용되는 화합물이다.
최대 3,000℃의 열을 견딜 수 있어 우주왕복선 외부에 사용되기도 한다.
