상용화 고려한 공정기술도 확보
<어드밴스드 머티리얼스> 관련 논문 게재

화학공학과 임상혁 교수팀이 차세대 태양전지인 페로브스카이트 적층 공정기술을 개발해 페로브스카이트-페로브스카이트 탠덤(Tandem) 소자를 구현해냈다. 이로써 효율이 높은 태양전지 개발이 가능할 것으로 기대된다. 연구팀은 상용화를 고려해 공정기술도 확보했다. 연구 결과는 나노·재료 분야 권위지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)> 10월 27일자 온라인판에 게재됐다. 연구는 임상혁 교수(교신저자)가 주도하고, 허진혁 학생(박사 6기, 제1저자)이 참여했다.

라미네이션 공정으로 페로브스카이트 탠덤화 기술 실현
현재 널리 상용되고 있는 태양전지는 단일 접합 구조의 결정질 실리콘 태양전지다. 결정질 실리콘 태양전지 모듈 기준으로 효율이 1% 향상될 경우 15W의 전기를 추가로 생성할 수 있는 등 태양광 발전 비용은 태양전지의 효율이 크게 좌우한다. 그러나 단일 접합 구조는 흡수되는 파장 영역이 한정돼 있어 이론적으로 한계효율이 존재한다. 이를 극복하기 위해 다중 접합 구조를 가능하게 하는 탠덤화 기술 개발이 필요하다.

임상혁 교수팀은 실리콘에 비해 낮은 재료비와 제조 단가, 고효율을 갖는 페로브스카이트를 탠덤 응용에 이상적인 물질이라고 판단, 페로브스카이트 접합 방법을 연구했다. 임 교수팀은 단일 접합 페로브스카이트 태양전지 단위소자 효율을 실리콘 태양전지와 경쟁이 가능한 24% 수준으로 향상시킨 기술력을 갖고 있다. 단위면적당 태양전지의 효율을 더 높이기 위해 라미네이션 공정을 이용, 페로브스카이트 위에 페로브스카이트를 올려 페로브스카이트-페로브스카이트 탠덤화 공정기술을 개발했다.

기존 용액 공정에서는 페로브스카이트를 적층할 경우, 하부의 페로브스카이트 층이 녹아 용액 공정이 불가능하다. 임 교수팀은 박막을 코팅하는 라미네이션 공정을 통해 이 문제를 해결한 것이다. 임상혁 교수는 “미래에는 더 싼 가격과 더 높은 효율을 위해 페로브스카이트-페로브스카이트 탠덤화 기술이 필요할 것”이라며 “이번에 라미네이션 공정을 개발해 페로브스카이트 탠덤 소자를 구현함으로써 탠덤화 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

라미네이션 공정 기술은 태양전지의 종류에 관계없이 적용 가능해 기존 결정질 실리콘과 화합물박막 태양전지와의 탠덤화에 적용할 수 있어 활용 가치가 높다. 

“페로브스카이트 태양전지는 경희대가 앞선 분야, 자부심 크다”
임상혁 교수팀은 소재의 특성과 물성을 결정하는 기본단위인 전자(Electron), 광자(Photon), 포논(Phonon)을 제어할 수 있는 나노소재를 개발해 에너지 생성, 변환, 저장 분야로 적용할 수 있는 나노에너지융합시스템 연구를 하고 있다. 공학도는 보편적인 기술을 만들어 사회에 환원해야 한다는 임 교수의 철학에 따라, 상용화를 염두에 두고 연구한다. 이번 연구 결과는 그간의 연구와 상용화를 위한 노력을 통해 완성됐다.

전하이동도는 태양전지 성능과 직결되는데, 일반적으로 박막 두께가 얇을수록 전하이동도가 높고, 두꺼우면 저항으로 인해 전하이동도가 낮은 것으로 알려져 있다. 임 교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 경우, 홀전도체 박막의 두께가 기존 보다 80~100배 정도 두꺼워지더라도 홀의 이동도가 우수하다는 선행연구 결과를 활용해 페로브스카이트 건물 일체형 태양광발전시스템(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)을 개발, 지난 10월 <에너지·환경과학(Energy & Environmental Science)>에 발표한 바 있다. 이 페로브스카이트 BIPV는 전기를 생산할 수 있는 유리창으로 사용 가능하며, 라미네이션 공정을 이용해 구현해냈다. 임상혁 교수는 “라미네이션 공정은 유연성이 높은 유기 태양전지에 사용되던 기술로, 페로브스카이트 태양전지 분야에서 활용된 적이 없다”면서 “라미네이션 공정을 통해 홀전도체의 두께가 두꺼워지더라도 홀의 이동도가 우수하다는 오랜 경험과 선행연구 결과가 있었기 때문에 라미네이션 공정 활용을 생각해낼 수 있었다”고 설명했다.

허진혁 학생은 “페로브스카이트 태양전지는 경희대가 앞서나가고 있는 분야라서 연구자로서 자부심이 크고, 다른 학문 분야와 코웍(Co-work)을 통해 문제에 접근하는 새로운 관점도 배울 수 있어 얻는 것도 많다”고 밝혔다. 그는 또 “에너지 문제와 같이 인류가 처한 문제를 해결하는 기술을 만들어보고 싶어서 시작한 연구가 조금씩 성과를 내고 있어 뿌듯하다”고 전했다. 허진혁 학생은 화학공학과 박사학위 과정 중 <네이처 포토닉스(Nature Photonics)>(IF=32.386), <사이언스(Science)>(IF=33.61), <Advanced Materials>(IF=17.493, 5편), <Energy & Environmental Science>(IF=20.523, 2편) 등 SCI 논문을 30편 이상 발표했다.