에너지연, 페로브스카이트 고질문제 해결…"상용화 앞당길 것"

페로브스카이트 태양전지를 상용화하는데 걸림돌이던 '짧은 수명' 문제가 해결됐다. TRL(기술성숙도)도 4단계여서, 제품화 가능성도 크다. 한국에너지기술연구원은 안세진 태양광연구단 책임연구원 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 늘릴 수 있는 신개념 촉매 공정 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 안세진 책임연구원은 "페로브스카이트의 수명 단축 주원인인 리튬 이온을 원천 제거할 수 있는 길이 열렸다"며 "페로브스카이트를 활용한 탠덤 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것"으로 전망했다. 페로브스카이트는 티탄산칼슘(CaTiO₃)과 같은 결정구조를 갖는 물질이다. 빛을 효과적으로 흡수, 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 단점은 고온·고습 환경에서 수명이 급감한다. 과학기술계는 이 문제를 해결하고, 태양전지내 전기 운반 효율을 향상하기 위해 통상 리튬염과 리튬염이 잘 녹도록 돕는 첨가제(tBP)를 투입한다. 그러나 여기에도 문제는 있다. 리튬염 작용으로 첨가제가 빠져 나간 자리가 비게 되는 것. 이 틈이 태양전지를 구성하는 막 접합 부위 결함으로 작용, 결국 태양전지 수명을 떨어뜨리게 된다. 또 리튬염에서 분리된 리튬 이온이 태양전지 내부에서 무분별하게 이동하며, 태양전지 수명을 더 짧아지게 한다는 것. 해결방법은 연구생 실수로 발견됐다. 에너지연에서 함께 연구하던 손경난 학생(당시)이 실수로 니켈옥사이드라는 촉매를 산화 촉진제로 써야 하는데, 이를 필터로 제거하고 페로브스카이트 태양전지를 만든 것. 안세진 책임은 "이 때 성능과 안정성이 크게 향상되는 결과를 발견하고, 아예 실험 방향을 완전히 변경하게 됐다"며 "이때부터 첨가제를 넣지 않고 리튬 이온을 촉매째로 걸러내는 '촉매 반응 후 필터링 추출 공정'을 개발하게 됐다"고 설명했다. 안 책임은 "공정 핵심은 산화니켈(NiOx) 촉매"라며 "산화니켈 분말을 정공수송층 제조 용액에 넣으면 두 물질 사이의 반응으로 인해 산화니켈 표면이 리튬을 강하게 끌어당기는 상태로 바뀐다. 이를 활용하면 기존 공정의 단점이었던 첨가제 없이도 리튬염에서 리튬을 분리하고 산화니켈 표면에 붙일 수 있다"고 부연 설명했다. 연구진이 이 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과 85℃의 고온과 상대습도 85%의 고습 환경에서 1,000시간이 지나도 초기 효율의 95%를 유지했다. 광전변환효율도 기존에는 25.21%였으나, 이 공정으로 0.3%정도 개선됐다. 연구진은 기술성숙도(TRL)에 대해 4단계 수준인 연구실 규모의 부품/시스템 성능 평가 완료 단계라고 부연 설명했다. 안세진 책임연구원은 "고질적인 수명 문제를 해결함, 페로브스카이트 및 탠덤 태양전지 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것"이라고 밝혔다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(IF: 14.1)'지 5월호 표지논문으로 게재됐다.