나노기술 및 정책 정보

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● 한국에너지기술연구원(KIER) 울산차세대전지연구개발센터 김동석 센터장 연구팀은 대면적 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이중구조 전자수송층 제조 기술을 개발

● 페로브스카이트 태양전지는 값싸고 손쉽게 제조할 수 있다는 장점이 있어 활발한 연구가 이루어지고 있으나, 대면적 페로브스카이트 태양전지 제조기술은 선진국에 비해 뒤처져 있어 상용화를 위한 고효율 기술 개발이 필요

● 고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는 전자수송층을 얇고 균일하게 형성하는 것이 중요하며, 전자수송층이 두꺼울수록 태양전지의 광흡수층에 도달하는 빛을 감소시키고, 균일하지 못하면 태양전지의 결함으로 작용하여 형성된 전하의 재결합을 유발하기 때문임.

● 또한, 기존 전자수송층 형성 방법은 500℃이상의 높은 공정온도와 긴 제조 시간을 필요로 하며, 균일성이 확보되지 못하여 대면적 소자에 적용 시 극심한 효율 손실을 유발

● 이를 해결하기 위해 연구팀은 낮은 공정온도에서 짧은 공정시간으로 균일하고 얇은 전자수송층을 형성할 수 있는 기술을 개발

● 연구 과정으로는 먼저, 산화타이타늄으로 치밀막을 형성한 뒤, 폴리아크릴릭산(PAA)를 이용하여 산화주석을 균일하게 도포하는 이중 코팅 방식을 도입하여 결함을 줄이는 동시에 광촉매적 불안정성을 해결함으로서 기존의 전자수송층이 가진 문제점을 개선

● 형성된 전자수송층은 태양전지에 활용할 경우 전하의 재결합을 억제하고, 빛 흡수율을 획기적으로 향상시켜 고효율 태양전지를 달성

● 해당 기술을 적용하여, 25cm², 64 cm² 대면적 모듈로 각각 21.66%, 20.55%의 인증 효율을 달성함으로써 지금까지 보고된 대면적 페로브스카이트 태양전지 중 최고 효율을 달성

● 특히, 해당 기술은 기존기술과 달리 제조시간이 매우 짧으며, 150℃ 이하의 저온에서도 공정이 가능하고 대면적 적용에도 급격한 효율저하가 없어, 상용화 난제 해결에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상

※ 용어설명

- 페로브스카이트(perovskites): CaTiO3 결정 구조를 갖는 물질로, 빛을 잘 흡수해 많은 전하를 만들며, 저렴하고 간편한 제조 공정이 가능

※ Science 게재(2022.01.20.), “Conformal quantum dot–SnO2 layers as electron transporters for efficient perovskite solar cells”

※ 한국에너지기술연구원(기본사업), 한국연구재단(기후변화대응 기술개발사업) 지원