[이데일리 신영빈 기자] 페로브스카이트 태양전지 표면에 특수 물질을 진공으로 얇게 입혀 발전 효율과 내구성을 높이는 기술이 개발됐다. 전지마다 성능이 들쭉날쭉해지는 문제도 줄여 향후 고효율 태양전지의 대면적·대량 생산에 활용될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 양창덕 교수와 신소재공학과 최경진 교수 연구팀이 페로브스카이트 표면에 패시베이션 물질을 진공 증착하는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트층과 전자수송층 사이에 패시베이션 물질을 넣어 표면 결함을 줄인다. 결함이 많으면 전자가 이동하는 과정에서 에너지가 손실돼 발전 효율이 떨어지고 소재 손상도 빨라질 수 있다.

기존에는 패시베이션 물질을 용매에 녹여 표면에 바르는 방식을 주로 사용했다. 하지만 물질이 일부 뭉치거나 표면에 고르게 퍼지지 않으면 전지마다 성능 차이가 발생할 수 있다는 문제가 있었다.

연구팀은 대신 패시베이션 물질을 진공에서 가열해 기체 상태로 만든 뒤 페로브스카이트 표면에 직접 쌓는 방식을 적용했다. 공급량과 증착 속도를 정밀하게 조절할 수 있어 보다 균일한 막을 형성할 수 있다.

핵심은 진공 증착에 적합한 물질을 찾는 것이었다. 너무 쉽게 휘발하면 증착량을 제어하기 어렵고, 잘 휘발하지 않으면 높은 온도가 필요해 물질 자체가 분해될 수 있다.

연구팀은 패시베이션 물질 6종의 열 안정성과 휘발 특성을 비교해 ‘피페라지늄 다이아이오다이드(PDI)’를 선정했다. 이를 초당 0.01나노미터 속도로 증착한 결과 용액 처리 방식보다 분자들이 페로브스카이트 표면에 더 가깝고 균일하게 붙어 에너지 손실을 줄였다.

이 기술을 적용한 페로브스카이트 단일 태양전지는 최고 26.05%의 효율을 기록했다. 같은 물질을 용액으로 처리한 전지의 25.43%보다 높았다. 페로브스카이트와 실리콘을 겹쳐 만든 탠덤 태양전지에서는 33.09%의 공인 효율을 달성했다.

전지 간 성능 편차도 줄었다. 연구팀이 각각 12개의 전지를 만들어 비교한 결과 진공 증착 방식을 적용한 전지의 효율이 보다 균일하게 나타났다.

내구성 역시 개선됐다. 섭씨 65도에서 빛을 계속 비추며 작동시킨 시험에서 개발 기술을 적용한 전지는 초기 효율의 90%를 유지하는 시간이 1005시간으로 나타났다. 용액 처리 전지보다 약 55% 길었다.

박지원 UNIST 연구원은 “패시베이션 물질의 휘발성을 하나의 설계 변수로 삼아 진공에서 휘발 속도를 안정적으로 제어함으로써 페로브스카이트 표면에 균일한 막을 만들 수 있었다”고 설명했다.

양창덕 교수는 “이번 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높이면서 전지 간 성능 편차도 줄일 수 있는 방법”이라며 “페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지에서도 33%가 넘는 인증 효율을 확보해 고효율 태양전지의 대면적·대량 생산에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.