성균관대 연구팀, 태양전지용 투명전극 신소재 개발

N-doped SnO2 투명전극으로 제작된 차세대 페로브스카이트 태양전지. (자료제공: 성균관대학교)

성균관대학교(총장 유지범) 신소재공학부 김한기 교수 연구팀은 차세대 초고효율 태양전지로 기대되는 페로브스카이트 태양전지용 투명전극 신소재 N-doped SnO2-x(질소가 도핑된 산화주석)를 세계 최초로 개발했다고 지난달 14일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 건물 외장형, 전기자동차, 우주용 태양전지로 응용이 가능한 초고효율 태양전지로 국내외에서 상업화를 위해 치열한 경쟁이 벌어지고 있다.
기존 페로브스카이트 태양전지는 고효율을 구현하기 위해 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD 공정)으로 약 1,000℃ 이하의 고온에서 제작되는 고가의 F-doped SnO2(FTO) 투명전극을 사용해왔다. FTO 투명전극은 고온 안정성은 뛰어나지만 비교적 높은 저항으로 인해 1마이크로미터 이상의 두께를 요구하며 이 때문에 투과도가 낮다는 한계가 있다. 고효율 태양전지를 구현하려면 투과도가 높아야 한다.
또한 FTO는 1,000℃에 가까운 온도에서 CVD 공정으로 제작되기 때문에 제조 단가가 매우 높지만 아직까지 이를 대체할 물질과 공정을 개발하지 못한 상황이다.
이에 성균관대 김한기 교수 연구팀은 고려대학교 노준홍 교수 연구팀과 공동으로 고온 공정이 필요한 FTO 전극의 F 도판트 대신 N(질소) 도판트를 이용해 낮은 온도에서 스퍼터 공정으로 저저항/고투과도의 N-doped SnO2(NTO) 투명전극을 세계 최초로 개발했다. NTO 전극은 기존 FTO 전극에 비해 저항이 낮아 보다 얇은 두께로 전극 역할이 가능하다. 게다가 상온에서 스퍼터 공정으로 제작이 가능하기 때문에, 대면적 초고효율 페로브스카이트 태양전지를 위한 핵심 원천 소재 기술로 주목받고 있다.
김한기 교수 연구팀에 따르면 이번에 개발한 NTO 투명전극은 얇은 두께로 인해 86%의 높은 투과도와 20Ohm/square 수준의 낮은 면저항으로 기존 FTO보다 우수한 투과도와 면저항을 나타낸다. 또한 스퍼터 공정으로 제작되기 때문에 대면적화와 상용화에 유리한 투명전극이다. 기존 FTO 전극의 F 도판트에 비해 N(질소) 도판트는 스퍼터 공정을 통해 쉽게 도핑이 가능하기 때문에 고온의 화학기상증착법이 아닌 저온의 스퍼터 공법으로 양산할 수 있어 경제적으로 유리한 점도 있다.
성균관대 김한기 교수는 “고가의 FTO 전극 소재를 저가로 제작 가능한 NTO 전극으로 대치하여 제작 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. NTO 투명전극 기술은 페로브스카이트 태양전지뿐 아니라 무기 디스플레이, 마이크로 LED, OLED, 스마트 윈도우, 터치패널, 바이오센서 및 투명 전자 소자 등 광범위한 분야에서 상용화의 발판을 제공하길 기대한다”고 말했다.
이번 연구로 개발된 NTO 투명전극 기술은 김한기 교수 실험실 스타트업 회사인 코코넛머터리얼즈를 통해 연구용 TEG(test element group) 제품 양산을 준비하고 있다. 페로브스카이트 태양전지와 무기 디스플레이를 연구하는 대학, 연구소, 기업을 대상으로 공급될 전망이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 탄소중립기술개발 사업과 경기도지역협력연구센터(GRRC)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 지난 2월 6일 게재됐다.