무기물·유기물의 하이브리드 합성을 통해 효율이 높고 경제적인 태양전지 소재 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이번 기술 개발은 저가 공정으로 개발된 기존 태양전지의 효율성 한계를 극복할 수 있는 공정 기술 개발이라는 데 의미가 있으며 향후 대면적 연속 공정 기술과 높은 안정성을 보유한 원천기술 개발을 통해 실용화가 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.

석상일 한국전기연구원 박사

Q. 연구 배경 및 계기
A. 태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법입니다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요하여 가격이 고가인 문제점이 있으며, 낮은 가격으로 제작 가능하여 많은 연구가 진행되었던 유기 및 염료감응 태양전지와 같은 기존의 차세대 태양전지들은 여전히 효율이 낮아 대규모적인 상용화에 어려움이 있습니다. 그래서 내구성이 우수한 염료감응 태양전지의 구조적 장점, 인쇄와 같은 저가 공정이 가능한 유기 태양전지의 장점, 무기물과 유기물이 결합된 하이브리드 소재의 장점 등 각각이 가진 장점을 최대화하고 단점을 최소화는 기술적 융합을 추구하고자 이 분야 연구를 시작했습니다. 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 역사에도 불구하고 기존의 유기 및 염료 감응 태양전지의 효율을 넘어 섰습니다. 본 연구에서는 2013년 Nature Photonics지에 보고한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 구조 기술과 2014년 Nature Materials지에 보고한 극도로 균일한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 용액 공정 기술을 기반으로 신규 페로브스카이트 조성을 설계 합성을 통해 세계 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지를 제작했습니다.

Q. 제품의 용도
A. 고효율이며 저가격인 태양전지의 제조에 활용될 수 있으며, 향후 대면적, 모듈화 등 상용화 기술과 결합하여 화석 연료와 경쟁력 있는 신재생에너지 기술에도 다양하게 활용이 가능합니다.

Q. 기대 효과와 실용화를 위한 과제
A. 이번 연구는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 고효율화를 위해 요구되는 페로브스카이트 물질의 전기적 특성을 제안하고, 이를 위한 조성을 설계하고 구현하여 세계 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지 소자 및 소재 기술을 확보하게 됐습니다. 이는 기존 상용화된 단결정 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 광전 변환효율에 상당히 근접한 결과로서 이 차세대 태양전지의 실질적 산업적으로도 활용이 기대됩니다. 실용화를 위해서는 대면적 스케일의 연속 코팅 공정과 높은 안정성을 갖는 핵심 소재의 개발과 상용화 공정 개발이 추가로 필요합니다.

김혜숙 기자(eltred@hellot.net)