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2018 봄호 / 지식더하기 Ⅱ / 태양광 전지의 차세대 주자 페로브스카이트 태양전지

2018-04-17 859

태양광 전지의 차세대 주자 페로브스카이트 태양전지

 

요즘 들어 날씨가 정말 화창하고 좋네요! 이제 정말 봄이 찾아온 것 같습니다. 여러분은 이런 따뜻한 봄 날씨가 되면 어떤 생각을 하시나요? 각양각색으로 피어날 봄꽃들? 새 학기와 새로운 친구들? 아니면 연애? 저는 상쾌한 햇살 아래 ‘열일’하고 있는 태양전지가 가장 많이 생각나는데요, 오늘 소개해드릴 내용은 이런 태양전지 중에서도 고효율의 성능을 자랑하는 ‘페로브스카이트(perovskite) 태양전지’입니다.

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출처 : 특집- 에너지 기술, 페로브스카이트 태양전지, 이진욱, 박남규

사진 : https://www.greenomicsworld.com/perovskite-better-alternative/

태양전지는 빛을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전을 가능하게 하는 소재인데요, 여러분이 학교에서 배웠을 태양전지는 실리콘 전지가 대부분이었을 것입니다. P형 반도체와 n형 반도체를 접합하고, 저항이 p-n 접합보다 작은 회로를 외부에 연결시키고 빛을 쪼여주면, 광전 효과에 의해 전자와 정공이 발생하고, 이 때문에 만들어지는 전위차로 회로에 전류가 흐르게 되죠! 하지만 이런 실리콘 재질의 태양전지는 생산 비용이 비싸다는 단점이 커다란 걸림돌로 꼽히고 있습니다.

이런 실리콘 태양전지를 추격하고 있는 차세대 기대주가 바로 페로브스카이트 태양전지입니다. 페로브스카이트 구조란, RMX3형으로 나타내는 결정 구조를 이르는데요, 여기서 R과 M은 양이온, X는 음이온으로 결합하며 대부분의 X는 산소 이온입니다. 이런 구조로 인해 페로브스카이트 물질은 강력한 광 흡수력, 강유전 및 초전도 현상 등의 특성을 가지며, 태양빛을 흡수하면 전자가 전도대로 여기되는 원리를 바탕으로 태양전지로 활용됩니다. 초기의 페로브스카이트 태양전지는 염료감응형 태양전지의 응용 형태를 띠었는데요, 단순히 염료를 페로브스카이트 물질로 대체하여, 태양빛이 페로브스카이트 물질의 전자를 여기시키면 전해질에서의 확산을 통해 전자와 정공의 흐름이 발생되도록 전지를 만들었습니다.

그 뒤 유-무기 복합 페로브스카이트 물질의 물리적 특성에 대한 활발한 연구가 진행되면서, 페로브스카이트 태양전지의 구조는 보다 더 혁신적이고 다양해졌습니다. 전하 및 정공의 수송 능력을 가지며, 확산 폭이 100nm~1μm에 달하는 우수한 특성의 페로브스카이트 물질이 발견됨에 따라, 전자 수송 능력이 없는 산화물과 페로브스카이트 물질을 혼합시켜 전자가 페로브스카이트 층을 따라 이동하게 하는 구조, 정공이 페로브스카이트 물질을 따라 이동하는 구조, 전자 및 정공을 모두 이동시키는 박막형 구조 등이 존재할 수 있게 되었습니다. 또한 소재적인 측면에서, 페로브스카이트 물질의 결정성을 높이고, 합성 시간을 조절해 결정을 더 크게 만드는 등의 연구는 같은 구조를 가지더라도 더욱 뛰어난 효율을 내는 전지의 설계가 가능하도록 했습니다.

물론 이런 페로브스카이트 태양전지에도 여전히 넘어야 할 벽이 존재합니다. 먼저, 소자로 활용되는 많은 페로브스카이트 결정들은 안정성이 확보되지 못한 상태입니다. 어떤 물질들은 습도에 민감하여 역반응을 통해 분해되거나, 태양빛에 장기간 노출되어 온도가 상승하면 상 변이가 일어나 광 안정성이 떨어지는 한계점이 발견된 상태입니다. 하지만 효과적인 수분 차단막 개발이나 안정성이 높은 물질의 합성에 대한 연구가 이루어진다면, 한계 극복뿐만 아니라 상업화 측면에서도 긍정적인 효과를 낼 것이라고 예상됩니다.

이런 페로브스카이트의 이론적 에너지 변환효율은 66%에 달하는데요, 실리콘 태양전지의 이론적 효율이 32%인 것을 감안하면 그 높은 성장 잠재력을 짐작할 수 있습니다. 최근의 페로브스카이트 태양전지는 2017년 12월에 한국화학연구원에서 22.7%의 효율을 달성한 바 있으며, 합리적인 생산 가격, 얇고 가벼운 특성으로 인한 플렉서블 디스플레이로의 활용으로도 주목받고 있다고 하네요! 현대의 기후 변화와 환경오염에 대응하여, 페로브스카이트 태양전지의 발전은 과연 우리 삶에 어떤 영향을 가져다 줄 수 있을지, 앞으로의 행보가 기대가 됩니다.

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알리미 23기 이예원 | 신소재공학과 17학번