화학연구원, 페로브스카이트 태양전지 안정성↑…내부압력 해소

성균관대와 공동연구로 유기 단량체 및 공정 개발

모듈 외부 봉지재 없이 2000시간 88.9% 효율, 국제학술지 표지논문

[대전=뉴시스] 페로브스카이트 박막 내 압력 결함 제어 및 고결정(규칙적인 정렬 형태의) 페로브스카이트 박막 형성 과정 *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 태양전지의 내부 압력 문제를 해소해 고효율·고안정성의 페로브스카이트 태양전지 생산기술을 확보했다.

한국화학연구원은 페로브스카이트 연구팀 한길상·전남중 박사가 성균관대학교 정현석 교수팀과 공동연구를 통해  페로브스카이트 태양전지 안정성 저하의 원인인 '변형 응력'을 해소할 수 있는 공정기술 개발했다고 11일  밝혔다.

변형 응력(strain-stress)은 소재가 변형되는 과정에서 가해지는 힘으로 '용액' 형태의 페로브스카이트 필름을 태양전지 기판 위에 '고체'인 필름 형태로 만드는 과정에서는 페로브스카이트와 기판의 열팽창 계수가 달라 내부에 힘이 가해져 수축이 생긴다.

페로브스카이트 박막 소재는 작은 결정 알갱이들이 무수히 많은 다결정 구조로 이뤄져 많은 내부 결함이 있다. 공기나 수분 같은 '외부 요인'에 의한 페로브스카이트 태양전지의 안정성 하락 방지에는 태양전지 박막에 보호막을 입히는 봉지재 기술이 활용돼 왔다.

또 박막 표면 및 결정 알갱이 사이 내부 경계면에 존재하는 결함 때문에 전자의 이동이 방해받는 효율 감소와 열·전압·빛 같은 '내부 요인'으로 인한 성능 하락 문제는 박막 표면 또는 결정 경계면에 다양한 유기분자 등을 이용해 해결했다.

하지만 이미 결정화된 페로브스카이트 박막 내에 형성된 변형 응력은 물리적으로 해결키 어려워 페로브스카이트 박막 형성과정에서 발생되는 변형으로 박막 분해 가속화 문제를 해결하지 못하고 있다.

이번에 공동 연구팀은 액체 형태의 페로브스카이트 박막에 자체 개발한 특수한 유기 단량체를 추가, 박막이 응고된 뒤 냉각될 때 수축으로 인한 변형 응력을 유기 단량체가 쿠션처럼 분산시키면서 원자단위 격자변형과 내부결함을 줄일 수 있도록 했다.

개발된 액체 상태의 유기 단량체는 결정화 과정에서 알갱이 크기를 키워 결정 경계면을 줄이고 페로브스카이트 박막이 수축될 때 액체상태로 존재해 박막 내부의 인장응력을 분산시켜 없애는 역할을 한다.

또 이 유기 단량체는 빛을 쬐면 서로 연결되며 고분자로 중합된 뒤 페로브스카이트 박막의 표면 및 결정 경계면 결함을 줄여 효율과 안정성을 높인다.

검증시험에서 새 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지는 외부의 수분과 산소에 대한 자체 차단이 가능하고 박막 내부 결함과 이동을 최소화해 태양전지 모듈 외부에 봉지재가 없는 기준으로 세계 최고 수준의 효율과 안정성이 검증됐다. 특히 태양전지 모듈 외부에 봉지재 없이 2000시간 동안 88.9% 효율이 확인됐다.

기존 소재는 보호막 없이 수분에 닿으면 즉각 박막이 분해되며 색이 변하는 반면 이번 기술로 제작된 페로브스카이트 박막은 물방울을 박막 표면에 직접 떨어뜨려도 변하지 않고 견뎌낼 수 있다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지  머티어리얼스(IF : 27.8)' 12월호 표지 논문으로 게재됐다.논문명 In Situ Polymerization of Cross-Linked Perovskite-Polymer Composites for Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells

화학연 이영국 원장은 "이번 연구에서 페로브스카이트 박막 내에 발생하는 결함에 대한 근원적인 해결법을 제시했다"며 "기존의 다양한 페로브스카이트 안정성 향상 기술과 시너지 효과를 발생, 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것"이라고 기대했다.


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