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생산단가 비싼 실리콘 전지 지고 … 태양전지 상용화 앞당길 차세대 소재
송준호 기자·김환희 수습기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.06.05  03:59:52
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차세대 에너지원으로 불리는 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 진행되고 있다. 페로브스카이트의 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 효율이 현재 사용되는 실리콘태양전지에 근접한 연구 성과가 나오고 있다. 뿐만 아니라 생산 단가가 실리콘의 절반 수준이기 때문에 페로브스카이트는 미래가 기대되는 신소재다. 이러한 페로브스카이트의 특징·장단점·제조법과 전망에 대해 알아보자.

   

페로브스카이트란
 페로브스카이트는 ABX3 화학식을 갖는 육방면체 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질을 갖고 있고 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다. 고체 상태의 조명, 광검출기, 레이저 등의 산업 분야에 응용되고 있다. 사실 19세기부터 물질의 존재는 알려졌었지만 실리콘 태양전지를 대체할 수 있다는 평가가 나온 2009년부터 연구가 진행되고 있다. 일본 연구진이 처음 개발했을 당시에는 태양전지의 효율이 3∼4%에 불과해 주목받지 못했지만 최근에 광전변환효율이 개선돼 차세대 태양전지 물질로 주목받고 있다.
 페로브스카이트 태양전지는 현재 사용 중인 실리콘 태양전지보다 우수하다는 평가를 받고 있다. 페로브스카이트는 유기·무기 소재의 장점을 모두 가진 하이브리드 소재이기 때문에 유기물만 사용하던 기존 태양전지보다 비용을 아낄 수 있다. 또한 빛을 흡수하는 가장 뛰어난 물질로 알려져 있어 현재는 LED 화면이나 X-ray를 만드는 곳에 활용되고 있다.
 그리고 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 전하 이동능력이 우수하고 재결합으로 전하가 유실되지 않는 장점을 가지고 있다. 하지만 물이 존재할 경우 광전변화효율이 감소해 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.

내수성·효율 개선돼야 상용화 가능해
 따라서 태양전지뿐 아니라 광전자공학·생의학과 촉매 분야 등 다양한 분야에서 페로브스카이트를 사용하려면 물이 있는 환경에서도 안정적인 성질을 유지하는 게 중요하다. 그러나 페로브스카이트 전지는 빛이나 고온에 장시간 노출되면 효율이  떨어진다는 문제가 있다. 그렇기 때문에 페로브스카이트에 사용되는 소재를 보완하거나 아예 전지를 구성하는 소재를 다른 물질로 대체하는 방법이 연구 중에 있다.

리간드확산개질법·염기성
증기확산법으로 약점 보완
 페로브스카이트 태양전지는 투명전도성 기판 위에 탄소와 질소로 이뤄진 유기물 용액과 요오드 기반의 무기물 용액을 코팅한 매우 얇은 필름으로 만들어진다. 이때 필름을 어떻게 만드는지에 따라 태양전지 성능이 달라진다. 빛을 매우 잘 흡수하고 전자를 많이 모을 수 있게 페로브스카이트 필름을 설계·제조하면 최대의 전기를 생산할 수 있다.
 대표적인 제조방법으로는 염기성 증기 확산법이 있다. 염기성 증기 확산법이란 페로브스카이트 표면에 수산화납 보호막을 형성시켜 페로브스카이트의 내수성을 높이는 방법이다. 페로브스카이트 물질의 합성 방식을 새롭게 사용해 보호막이 생기게 만드는 방식이기 때문에 외부에서 다른 물질을 가져오지 않아도 된다는 장점이 있다.
 내수성 강화 페로브스카이트 물질 합성법은 간단하다. 작은 유리병과 큰 유리병을 준비한다. 작은 유리병에는 산성 용액에 녹아 있는 페로브스카이트 재료로서 할로겐 산-금속 할라이드 전구체 염을 놓고 큰 유리병에는 염기성 용액인 메틸아민을 담는다. 그런 다음 작은 유리병의 뚜껑을 연 채 큰 유리병 속에 넣고 큰 유리병의 뚜껑만 닫는다. 뚜껑을 닫으면 메틸아민이 증발하면서 작은 유리병 속으로 들어간다. 이때 페로브스카이트 물질이 합성되면서 내부에 자연스럽게 수산화납 보호막이 형성된다. 표면에 형성된 보호막은 표면층을 환원시키고 수분과 만나도 반응하지 않는다. 이로 인해 페로브스카이트 내부로 침투하는 물 분자를 막아 내수성과 수명을 증가시킨다.
 다른 방법으로는 리간드확산개질법이 있다. 유기물인 리간드가 용액과 양자점 표면 사이에서 결합과 분해를 반복하는 방법이다. 최근에는 페로브스카이트 표면 개질에 성공해 더 높은 발광효율과 전도성을 갖고 내수성도 강화된 페로브스카이트 양자점 박막 제조법과 전기발광소자를 개발했다.

세계 각국 최고 효율 경쟁 뜨거워
 최근 국내 연구진이 페로브스카이트 양자점 내부와 표면의 결함을 최소화할 수 있는 박막 제조기술과 고효율·고전도의 페로브스카이트 양자점 전기발광소자를 개발했다. 양자점이란 화학적 합성공정으로 만든 나노미터 크기의 반도체 결정체다. 빛의 파장 조절이 가능하고 우수한 색 순도와 높은 발광효율로  주목받고 있다. 양자점 내부와 표면 결함으로 광효율 및 안정성이 떨어지는 문제점을 갖고 있었지만 최근 연구에서 페로브스카이트 양자점 합성 시 사용하는 용매의 전기감수율과 극성밀도를 제어해 양자점 내부와 표면의 결함을 최소화했다. 이외에도 많은 연구팀이 차세대 태양전지라고 불리는 페로브스카이트의 내구성·효율성을 높이기 위해 노력을 기울이고 있다.

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