해당 연구 성과 대표 결과 및 Advanced Energy Materials 표지. /한국에너지공대 제공

한국에너지공대 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중 책임연구원 공동연구팀이 전자 수송 제어 물질인 산화주석 (SnO2) 나노 입자 분산액의 산성도 조절을 통해 균일성 확보 및 결함 제어를 한 고품질 전자 수송층 구현을 통해 고성능 페로브스카이트 모듈 개발에 성공했다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트를 포함하는 기술로, 최근 MIT 테크놀로지 리뷰가 선정한 2024년도 10대 기술로 뽑히며 친환경 에너지 분야에서 주목받고 있으며, 현재 건물 외장형, 우주용 태양전지 등 고효율 태양전지 모듈의 상업화를 위한 연구가 다양하게 진행되고 있다.

또한, 기존 실리콘 태양전지에 비해 얇고 가볍고 유연 특성을 가질 수 있는 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지 기술로 주목받으며 상업화를 위해 대면적화 연구가 중요한 시점이다.

기존 단위 소자에서 모듈로 확장할 때, 태양전지의 구성 요소인 각 박막층의 균일성을 유지하는 것이 중요하다. 현재까지 대면적 페로브스카이트 박막에 대한 연구는 다양하게 진행되어 왔으나 자유전하 분리 및 전달 역할을 하는 계면층에 대한 연구는 상대적으로 주목받지 못했다.

공동연구팀은 전자수송층으로 적합한 주석 산화물 SnO2 박막을 기존 방법으로 대면적화 과정에서 마이크로 스케일의 결함과 불균일성을 갖는다는 것을 발견하고 이를 해결할 방법에 대한 연구를 진행해왔다.

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공동연구팀은 SnO2 나노입자 분산액에 미량의 산을 첨가해 pH를 조절하면 나노입자 표면에서 음전하를 갖는 산소 원자가 수산화 되고 입자 간 가교화가 일어나는 현상을 발견했다. SnO2 나노 입자의 바뀐 표면 상태는 페로브스카이트 층과의 원치 않는 부반응을 억제할 뿐만 아니라, 표면 상태에 의해 유도되는 결함이 감소해 균일한 전자 수송층을 구현했다.

이러한 연구 결과를 활용하면 대면적 모듈의 크기가 커져도 효율의 감소율이 효과적으로 낮아지는 것으로 확인됐으며 24.5cm2의 미니 모듈과 214cm2의 서브 모듈에서 각각 높은 열-습도 테스트, 실외 구동 테스트를 거쳐 높은 안정성을 가지고 있음을 확인했다.

본 연구 결과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혔고 페로브스카이트 모듈 상용화에 교두보를 마련했다고 평가할 수 있다.

엘케이켐 이창엽 대표는 산성도를 조절해 신규로 합성한 SnO2 나노파티클 소재를 공동연구팀에서 기술 이전 받아 대량생산화 할 계획이라고 밝혔다.

해당 연구 결과는 과학기술정보통신부, 한국연구재단 지원으로 수행되었다. 특허 등록 및 에너지 분야의 저명한 국제학술지인 Advanced Energy Materials 표지 논문으로 게재되며 우수성을 인정받았다.

/나주=허필수 기자