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박막 페로브스카이트 태양전지의 저온가공 전자수집층 그래핀-티타니아 나노복합체

전문가 제언: ○ 오늘날 세계적인 이상기후와 화석연료 고갈에 대비한 신재생에너지 기술이 나날이 중요해지고 있다. 태양전지 시장을 지배하고 있는 실리콘 기반의 태양전지는 발전비용이 높아 여러 유형의 박막태양전지가 개발되고 있다. 그러나 상업화에 근접한 광활성 재료는 희귀재료이거나 환경에 우려를 주고 있어 근본적으로 염가의 고성능 재료가 나타나 태양전지 기술을 혁신적으로 바꿀 것이 요구되고 있다.

○ 소련 광물학자 이름에서 유래한 페로브스카이트 유기무기 이온결정 재료는 놀라운 흡광능력을 가져 염료감응 태양전지에서 염료 대체에 연구되기 시작하였다. 2009년 최초논문이 발표되었으나 전해질용액에 접촉된 이온결정의 분해로 태양전지에 어렵다고 인식되었다. 2012년 성균관대 박남규 교수의 고체고분자 전해질 사용에 의해 문제가 해결되어(효율 9.7%) 이 재료의 태양전지 적용이 부활되었다. 2013년 효율이 15%를 넘고 2014년 초 단일접합에서 한국화학연구원 석상일 박사팀이 효율 16.2%, 동년 5월 효율 17.9%로 세계 공인기록을 갱신하였다.

○ 페로브스카이트 태양전지의 전례 없는 성능의 진보는 수 년 내 실리콘 태양전지 대체까지 기대되고 있으나 상용화 성공을 위한 난제는 의외로 많다. CH3NH3PbI3-xClx에서 보는 바와 같이 독성 우려가 있는 납이나 습기에 약한 특성 등은 시급히 해결해야 될 과제의 일례이다. 더욱이 500℃ 근처의 고온소결이 필요한 전자추출용 TiO2 (다공층이 아닌) 조밀층을 저온가공 재료로 대체해야 에너지 비용 외에도 플라스틱기판과 다중접합 셀의 실용화 및 롤투롤 가공공정 등이 가능해진다.

○ ZnO나 알루미나를 비롯한 저온가공을 위한 전자추출층 대안이 연구되고 있으나 전자수송 능력상 높은 결정도/전자이동도가 필요하므로 가공온도 낮춤에 한계가 있다. 이 글에서 저자들은 150℃ 미만의 열처리로 그래핀-TiO2 나노복합체를 적용한 변환효율 15.6%의 성공사례를 보고하고 있다. 그래핀의 전례 없이 높은 전자이동도/전도도는 이 재료의 상용화를 앞당기는데 결정적 도움이 되고 있다. 실리콘 태양전지 대체에 세계적 연구진을 가진 한국이 첫 번째 국가가 되기를 기대한다.

저자: Jacob Tse-Wei Wang, James M. Ball et al.
자료유형: 학술정보