□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “세계 최고의 안정성을 가진‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지^*’를 제조할 수 있는 핵심 소재 및 제조 기술을 개발”하였다고 밝혔다.

  * 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 : 값싼 무기물과 유기물이 결합하여, 페로브스카이트** 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재를 이용하여 제조한 태양전지

** 페로브스카이트(perovskite) : AMX3(A와 M은 양이온, X는 음이온) 화학식을 갖는 결정구조체로 A 양이온이 유기물을 사용할 경우 우수한 태양전지 특성을 가진 물질이 된다.

 ㅇ 이 연구결과로 저비용, 고효율인 페로브스카이트 태양전지에 높은 내구성을 추가 가능하여 차세대 태양전지의 상용화가 앞당겨질 전망이다.

□ 울산과학기술원(석상일 교수, 한국화학연구원 학연교수 겸임)이 주도하고 한국화학연구원 (1저자: 신성식 박사(現 MIT 포스닥), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업 지원으로 수행되었다.

 ㅇ 연구결과는 Science 紙 3월 30일(목)자 온라인판에 게재되었으며, 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 

   - 논문명 : Colloidally prepared La-doped BaSnO₃ electrodes for efficient, photostable perovskite solar cells

   - 저자 정보 : 석상일 교수(교신저자, 울산과학기술원), 신성식 박사(제1저자, 한국화학연구원, 現 MIT), 노준홍 박사(공동교신저자, 한국화학연구원, 現 고려대학교)

□ 무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조 가능할 뿐만 아니라 높은 광전변환 효율(22% 이상)을 보여 기존의 실리콘 단결정계 태양전지^* 수준(~25%)의 높은 효율이 가능한 차세대 태양전지 기술로 최근 큰 주목을 받고 있다.

  * 태양전지 소재별 특징 및 광전변환 효율 비교

   ・ 실리콘 단결정계 태양전지 : 광석으로부터 매우 고순도의 태양전지용 실리콘을 제조하기 위하여 대규모의 투자와 에너지 다소비로 제조 비용이 고가임
(현 최고효율: 약 25%)

   ・ 유기태양전지 : 화학합성과 인쇄공정의 적용이 가능하여 저가로 제조가 가능하지만, 효율과 광안정성이 낮은 단점이 있음 (현 최고효율: 약 12%)

   ・ 염료감응태양전지 : 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음 (현 최고 효율: 약 13%)

   ・ 페로브스카이트 태양전지 : 무기물과 유기물이 혼합된 페로브스카이트 구조를 갖는 물질을 이용한 태양전지로 고효율과 제조 비용이 저렴함 (현 최고 효율: 약 22%)

□ 이번 연구에서는 이전 연구성과(구조, 공정, 신조성 기술)를 기반^*으로 이종접합^** 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성(자외선 포함한 광조사에서 1,000시간 이상 안정한 효율 유지)을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온(기존 900 ℃이상 고온 → 200 ℃이하)에서 합성하는 방법을 개발하였다.

  ** 이종접합 : 같은 소재간의 접합인 동종 접합과 달리 다른 종류의 소재간의 접합을 의미, 페로브스카이트는 무기물, 유기물, 무/유기 혼성물 간의 이종접합을 이룸.

 ㅇ 더 나아가서 연속적이며 대량 생산 공정이 가능한“핫-프레싱 (hot-pressing) 공법^*”을 새롭게 제안하여, 고효율 / 고안정성 / 저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지제조 방법론을 제안하였다.

   * 핫-프레싱 공법 : 온도와 압력을 가하여 두 물체를 단단히 점착 시키는 방법

□ 석상일 교수는“이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합하여 낮은 제조 비용(기존 실리콘 태양전지의 절반이하 수준)이 기대되면서 고효율(21% 이상)과 높은 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현”하였다는 데 큰 의미가 있다고 언급하였다.

 ㅇ 이번 연구성과는 전 세계적으로 지난 20여 년간 저가 공정을 전략으로 내세운 기존의 차세대 태양전지 기술이 가진 낮은 효율 한계와 낮은 안정성을 뛰어 넘는 결과로서 국내 연구진의 고유 기술로 이루어진 성과로 큰 의미가 있다. 향후, “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다.”라고 연구 의의를 밝혔다.