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【신기술 2】 태양전지 연구개발 동향
2022-11-10

태양전지 연구개발 동향 
촉매 개발로 효율성 높인 성과 돋보여
국내 태양전지 산업의 전망을 가늠하는 굵직한 연구개발 성과가 발표되었다. 차세대 태양전지인 유기태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 공정과정에서 안정성과 효율성을 높인 것이다. 유기태양전지를 만들기 위해서는 몰리브덴 산화물이 필수적으로 사용되는데 그 과정에서 고온의 후공정이 필요해 실용화에 어려움이 있었다. 페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지에 비해, 얇고 가볍고 유연하며 용액공정으로 값싸게 만들 수 있지만 독성용매로 공정과정을 거쳐야 했다. 이 문제를 국내 연구팀들이 해결해, 차세대 태양전지의 상용화를 앞당겼다는 평가다.

글 최종숙 기자 
자료 광주과학기술원(GIST), UNIST

유기태양전지 공정 개선으로 효율성 높인다
광주과학기술원(GIST)과 동국대학교 공동연구팀이 고온의 후공정 없이 음이온 촉매를 첨가하는 간단한 방법으로 차세대 유기태양전지의 전기전도도를 20배 이상 개선하는 공정을 개발했다고 밝혔다. 유기태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 차세대 태양전지로, 유기물 반도체를 광활성층으로 해 생산 비용이 낮고 가벼울 뿐만 아니라 소자를 유연하게 구현해 주목받고 있다
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유기태양전지의 필수 소재로 사용되는 몰리브덴 산화물(MoO3)은 몰리브덴 금속 원자에 산소 원자가 결합한 형태의 화합물로서 투명한 전기전도성 박막이다. 몰리브덴에 기능성 유기물이 결합한 유무기 하이브리드 화학소재를 이용한 유기졸겔합성법은 잉크를 통해 금속산화물 박막을 형성하는 공정으로, 기존 진공 열증착 공정을 대체할 수 있다. 그러나 이 박막에 높은 전기적 성능을 끌어내기 위해서는 금속산화물만의 네트워크가 치밀하게 형성되는 과정이 필수적인데, 이러한 과정은 200 ℃ 이상의 고온 후공정이 필요해 그 실용성에 문제가 있었다.
상온 공정으로 몰리브덴 산화물 개발
GIST 이광희 교수팀(신소재공학부)은 동국대학교 권순철 교수팀(융합에너지신소재공학과)과 함께 금속산화물 잉크에 음이온 촉매를 추가해 상온에서 높은 성능의 몰리브덴 산화물을 개발했으며, 양산할 수 있는 차세대 고효율·장수명 유기태양전지를 개발했다.1)
상온 공정은 열처리 없이 태양전지를 만드는 기술로, 기존 프린팅 방식으로 태양전지를 제작하는 기술보다 더 단순화된 방법이며 이는 유기태양전지 상용화에 필요한 광전변환효율을 높이는 데 기여한다. 연구팀은 몰리브덴 산화물 잉크에 단순히 리튬비스마이드(LiTFSI) 음이온 촉매를 첨가하는 방법을 통해 상온에서 잉크를 도포하는 공정만으로 치밀한 금속산화물 네트워크를 형성했다. 이를 통해 투명 전기전도성 박막은 기존보다 20배 이상(기존 8.4×10-4 S m-1에서 1.8×10-2 S m-1)의 전기전도도 향상을 보였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 강한 전기음성도를 가진 음이온 촉매가 기능성 유기물에 전자 재배열을 유도할 수 있다는 가능성을 확인했으며, 표면의 형태 및 원소 분포 등을 실험적으로 비교해 그 메커니즘을 규명했다. 몰리브덴 산화물은 음이온 촉매법을 통해 기존 유기태양전지의 낮은 광전변환효율을 10 % 향상했으며(16.0 % → 17.6 %), 또한 치밀한 그물망 구조가 공기와 수분의 침투를 막아줌은 물론, 100시간의 태양 빛에 노출되었을 때 기존 초기 효율에 55 %를 유지하던 것에 비해 초기 효율의 70 % 이상을 유지하는 것으로 확인했다.

GIST의 이광희 교수는 “이번 연구는 상온에서 공정 가능한 금속산화물 반도체를 세계 최초로 개발했다는 데 가장 큰 의의가 있다”며 “향후 투명하고 유연한 다기능 전자 시스템 등의 대량 생산 연구에 활력을 불어넣을 것”이라며 기대를 보였다. 덧붙여 동국대학교의 권순철 교수는 “이번 연구를 통해 더욱 치밀하고 안정한 금속 산화물 그물망 구조를 개발할 수 있었다”며 “이를 이용해 태양전지는 물론 다양한 고성능 광전자 소자의 핵심 기능층으로 활용할 수 있으리라 기대한다”고 말했다. 이번 성과는 광전변환효율을 높이고 제작공정을 단순화·안정화할 수 있어 유기태양전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

친환경 용매로 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발
페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리, 얇고 가볍고 유연하며 용액공정으로 값싸게 만들 수 있는 차세대 태양전지다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이었던 독성용매를 대체하여 저독성, 친환경 용매로 제작이 가능해졌다. 독성용매로 제작한 태양전지 최고 효율 25.7%에 버금가면서 그 효율이 무려 25 % 이상이다. 페로브스카이트 태양전지로 20%를 처음 넘긴 UNIST 석상일 교수팀이 이룬 성과로 파급력이 클 전망이다.

에탄올-페로브스카이트 용액 
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 석상일 교수팀은 ‘에탄올 기반의 친환경 용매’에 ‘할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)’를 용해해 코팅하는 방법으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지의 효율은 25 % 이상으로, 현재 저독성 용매를 사용한 것 중에서 가장 높다. 독성 용매로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 최고효율 25.7 %에 버금간다.

기존 페로브스카이트 태양전지 제조에서는 독성 용매인 ‘다이메틸포름아미드(DMF)’를 사용했다. 태양전지에 페로브스카이트를 얇게 코팅하려면 용매에 녹여야 하는데, 다른 친환경 용매에서는 페로브스카이트를 녹일 수 없었기 때문이다. 석상일 교수팀은 독성이 없으면서 페로브스카이트를 녹일 수 있는 용매 기반 물질로 ‘에탄올’을 선택했다. 다음으로 페로브스카이트가 에탄올에 잘 녹을 수 있도록 착화합물(complex) 구조를 설계했다. 이를 이용해 ‘에탄올 기반의 페로브스카이트 전구체 용액(이하 에탄올-페로브스카이트 용액)’을 만들었는데, 이 물질은 친수성이라 산화물 전극 위에 잘 발라라져 도포성이 우수하다. 또 코팅 중 2차 처리를 하지 않아도 매우 균일하고 치밀하게 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다.
고효율 페로브스카이트 코팅 박막 제조 
석상일 교수는 “페로브스카이트와 결합해 용해성이 우수한 착화합물을 제조한 게 이번 기술의 핵심”이라며 “코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발하는 속도를 제어할 수 있는 결합물 조합을 최적화해 치밀하고 균일하면서 결정성이 우수한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다”고 설명했다. 에탄올-페로브스카이트 용액은 산화물 전극 기판 위에 떨어뜨려서 젖게 하는 것만으로도 대면적이며 균일한 두께의 페로브스카이트 코팅 박막이 만들어졌다.

석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지로 ‘마의 효율’이라 불렸던 20 %를 처음 넘긴 인물이다. 세계 최고의 공인 효율을 스스로 여섯 차례나 경신했으며 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다. 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로로 2022년 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics) 공동 수상자로 선정됐다. 이번 성과는 에너지 분야 최고 권위지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy, Impact Factor: 67.439)’ 8월 18일자에 공개됐다.
1) GIST 신소재공학부 이광희 교수(교신저자)와 동국대학교 융합에너지신소재공학과 권순철 교수(공동 교신저자)가 주도하고, GIST 신소재공학부 기태윤 석박사통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 연구 성과는 재료분야 최고 권위지인 <Advanced Functional Materials>에 지난 6월 25일자로 온라인에 게재됐다. 한편 이번 연구는 한국연구재단 글로벌연구실사업, 기후변화대응기술개발사업, 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 논문 제목은 “Anion-induced catalytic reaction in a solution-processed molybdenum oxide for efficient invert ternary organic photovoltaics”이다.
 

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