같은 원료인데 왜 효율 떨어졌나?… UNIST, 태양전지 '숨은 변수' 찾았다

석상일 특훈교수팀, 소자 구조 따라 성능 변한 원인 규명

고효율 유지·탠덤 태양전지 원천 설계 기술, Joule 게재

국내 연구진이 차세대 페로브스카이트 태양전지의 구조 전환 과정에서 나타나던 효율 저하 원인을 규명하고, 정구조 수준인 26.3%의 최고 효율을 끌어올리는 데 성공했다.

차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트는 용액을 바르는 공정만으로 얇게 만들 수 있어 상용화 기대를 모은다. 특히 아래에 놓인 실리콘 전지 쪽으로 빛을 손실 없이 통과시키는 '역구조' 방식은 실리콘과 페로브스카이트를 결합한 '탠덤 태양전지' 상부 셀의 핵심 기술로 꼽힌다.

문제는 기존 정구조 태양전지에서 최적화된 고효율 원료 배합을 역구조에 적용하면 효율이 기존의 3분의 2 수준으로 급격히 떨어진다는 점이었다.

UNIST 에너지화학공학과 석상일 특훈교수 연구팀은 5일 이 같은 성능 저하의 원인이 '바닥면 접촉부의 빈틈'에 있음을 규명했다고 알렸다.

연구진,(좌측부터) 석상일 특훈 교수, 김종범 연구원, 신나혜 연구원. UNIST 제공

정구조에서 결정 성장을 돕던 첨가물(염화메틸암모늄·MACl)이 역구조에서는 오히려 독이 됐다. 열처리 과정에서 첨가물이 뒤늦게 빠져나가며 정공전달층과 맞닿는 매몰 계면에 미세한 빈틈을 만들었고, 이 빈틈이 전하를 손실시키는 결함으로 작용한 것이다.

해법은 배합 비율의 미세 조정에 있었다. 연구팀은 기존 첨가물(MACl) 비율을 30몰%에서 10몰%로 크게 줄이는 대신, 염화납 2몰%를 새로 투입했다. 염화납이 염소를 강력하게 붙잡아두면서 결정이 형성되는 시점과 위치를 바닥면 전체에 고르게 조절해 주는 원리다.

새로운 원료 배합을 적용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 최고 26.3%의 효율을 기록했다. 이는 정구조 전지 최고 수준에 육박하는 수치다. 결정 성장 및 염소 고정 효과를 검증하는 과정에는 포항가속기연구소의 첨단 분석 장비가 활용됐다.

석상일 UNIST 특훈교수는 "정구조용 원료 배합이 역구조에서 왜 성능을 떨어뜨리는지 근본 원인을 찾아내 역구조 설계의 표준 방향을 제시했다"며 "고효율 탠덤 태양전지 상부 셀 개발을 계속해서 주도해 나갈 것"이라고 말했다.

연구그림, 정구조용 페로브스카이트 원료를 역구조 태양전지에 적용할 때 생기는 계면 결함과 염소 공급 물질 변경을 통한 문제 해결 방안.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '줄(Joule)'에 출판됐다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr