에너지硏, 산화니켈 촉매로 페로브스카이트 태양전지 수명 향상

▲ 에너지연 연구진이 산화니켈 촉매를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 수명 저하 원인인 리튬 이온을 제거하는 공정의 성능을 시험하고 있다.

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 가로막아 온 내구성 문제를 해결할 새로운 공정 기술을 개발했다. 태양전지 내부에서 수명 저하를 유발하는 리튬 이온을 촉매 반응과 필터링으로 제거하는 기술로, 고효율·장수명 탠덤 태양전지의 상용화 기반을 강화할 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 태양광연구단은 산화니켈(NiOx) 촉매를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 수명 저하 원인인 리튬 이온을 제거하는 공정을 개발했다고 15일 밝혔다.

페로브스카이트는 빛을 효과적으로 흡수하는 특성을 바탕으로 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 특히 기존 태양전지와 결합해 발전 효율을 높이는 탠덤 태양전지의 상부셀로 활용된다. 다만 정구조 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율에도 불구하고 고온·고습 환경에서 성능이 저하되는 문제가 있다.

이는 정공수송층 제조에 사용되는 리튬염과 첨가제에서 비롯된다. 첨가제가 열과 습기에 의해 증발하면 태양전지를 구성하는 막 사이에 틈이 생겨 접합 부위의 결함을 유발한다. 여기에 리튬염에서 분리된 리튬 이온이 소자 내부를 이동하면서 성능과 수명을 추가로 떨어뜨린다.

에너지연 연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 촉매 반응 후 필터링 추출 공정을 개발했다. 핵심은 산화니켈 분말을 정공수송층 제조 용액에 넣어 리튬을 표면에 흡착시키고, 반응이 끝난 촉매를 필터로 걸러내는 것이다.

산화니켈은 용액과의 반응을 통해 리튬을 강하게 끌어당기는 표면 상태로 바뀐다. 이를 이용하면 기존 공정에서 사용하던 첨가제 없이도 리튬을 분리해 촉매 표면에 붙일 수 있다. 이후 촉매와 표면에 흡착된 리튬을 함께 제거하면 첨가제와 리튬 잔류물, 촉매가 남지 않는 정공수송층을 제조할 수 있다.

개발 공정을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 85℃, 상대습도 85%의 가혹한 환경에서 1,000시간이 지난 후에도 초기 광전변환효율의 95%를 유지했다. 광전변환효율은 25.24%로, 첨가제를 사용한 기존 공정의 25.21%보다 높았다. 첨가제를 배제하면서도 효율을 높이고 내구성을 확보할 수 있음을 입증한 것이다.

이번 기술은 태양전지의 성능을 높이는 데 그치지 않고, 수명 저하를 유발하는 물질을 제조 단계에서 선택적으로 제거한다는 점에서 의미가 있다. 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성을 확보하고 탠덤 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 전망된다.

안세진 에너지연 책임연구원은 “필요한 반응만 촉매로 유도한 뒤 원인 물질을 걸러내는 새로운 공정을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “고질적인 수명 문제를 해결함으로써 페로브스카이트 및 탠덤 태양전지 상용화를 앞당기는 중요한 이정표가 될 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 에너지연과 UNIST 김동석 교수 연구팀의 공동 연구로 수행됐으며, 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF 14.1)’ 5월호 표지논문으로 게재됐다.