[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구팀이 간단한 용액 공정으로 효율성과 신뢰성, 안정성을 모두 갖춘 태양전지 개발에 성공했다. 

29일 한국연구재단에 따르면 건국대 화학과 이만종 교수 연구팀은 비정질 주석아연산화물(amorphous Zn2SnO4)을 이용해 고효율‧고신뢰성의 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 

연구결과는 에너지 분야의 세계적 학술지 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy letters)’에 지난 12일 실렸다. 

(그림) 비정질 Zn2SnO4의 특성분석 : GI-SAXS, TEM-SEAD패턴(a)을 이용, Zn2SnO4의 비정질을 확인, 이를 기반으로 태양전지를 제작할 경우 단면(b)의 AFM 측정 결과(c) 비정질 Zn2SnO4가 TiO2 보다 균일하고 평평함을 확인할 수 있다. 2018.10.29. [자료=한국연구재단]

페로브스카이트(perovskite)는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질로, 빛을 전기로 바꾸거나(광전) 전기를 빛으로 바꾸는(발광) 특성을 지니고 있다. 매우 높은 광 흡수도로 광전효율이 크게 높아지면서, 이를 흡수층으로 만든 페로브스카이트 태양전지는 차세대 재료로 주목받고 있다. 

또 기존의 실리콘 태양전지는 제조 공정이 복잡하고 제작 비용이 비싼 반면, 페로브스카이트 태양전지는 원료를 잉크처럼 칠하는 간단한 공정으로 제작할 수 있다.

하지만 태양전지 구성 요소 가운데 전자의 주입을 쉽게 하는 전자 선택층의 재료로 주로 사용하는 이산화티타늄(TiO2)은 안정성과 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 

태양전지의 전자 선택층 문제를 개선하기 위해 연구팀은 그 동안 사용되지 않았던 비정질 물질(Zn2SnO4)을 전자 선택층으로 사용했다.

그 결과 페로브스카이트 태양전지의 전자 전도성이 향상되고 자외선 영역에서 높은 안정성이 확인됐으며, 빛 에너지가 전기에너지로 전환되는 광전변환 효율과 안정성도 획기적으로 향상됐다. 

비정질은 고체이면서도 원자 배열이 액체처럼 흩어져 있는 상태의 물질이다. 실험 결과 비정질(Zn2SnO4) 기반의 페로브스카이트 태양전지는 전자 전도성과 표면 균일성이 향상돼 광전 변화 효율이 기존 이산화티타늄 기반 태양전지보다 향상된 효율을 나타냈다. 

특히 페로브스카이트 태양전지 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이었던 히스테리시스가 많이 감소했고 안정성과 신뢰성 면에서도 이산화티타늄보다 우수한 성능을 보였다. 

이만종 교수는 “이번에 최초 보고된 비정질 주석아연산화물은 기존 이산화티타늄보다 신뢰성과 안정성 측면에서 우수, 간단한 공정으로 제작이 가능하다는 점을 입증했다”며 “차세대 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 제작 및 실용화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 

kimys@newspim.com