Special 차세대 탠덤 태양전지 소재 및 모듈 기술 개발 동향(1)

고효율 및 고안정성 구현을 위한 페로브스카이트 핵심 소재 혁신

박병욱_울산 과학기술원, 에너지 및 화학공학과 

석상일_울산 과학기술원, 에너지 및 화학공학과 교수

1.    서론 및 페로브스카이트 태양전지 기술의 역사적 개요

1-1. 페로브스카이트 태양전지의 발전과 소재의 중요성

할라이드 페로브스카이트 소재를 광흡수체로 사용한 태양전지 (이하 페로스브카이트 태양전지라 함)는 지난 15 여년간 놀라운 발전을 이루며 가장 유망한 차세대 광전지 기술 중 하나로 부상하였다. 할라이드 페로브스카이트 태양전지는, 잘 알려진 바와 같이, 2009년 염료감응 태양전지의 구조에 통상적인 염료 대신에 메틸암모늄염화납(methylammonium lead halide, CH3NH3PbI3)을 사용한 것으로서, 약 3.8% 효율을 기록하였지만, 안정성이 극도로 낮았다[1]. 그 후 Sb2S3를 다공성 TiO2에 코팅하여 P3HT와 같은 전도성 고분자를 결합한 무-유기 하이브리드 태양전지[2]에 기반하여, 할라이드 페로브스카이트를 적용한 무-유기 이종접합 태양전지(inorganic-organic heterojunction solar cells)[3]에서 효율 약 12%를 기록한 이래로, 현재에는 27%를 넘는 인증 효율을 달성하고 있다[3-5]. 이는 이론 효율인 약 30%에 근접해 가고 있으며, 이렇게 빠른 효율향상은 소자 구조의 변형을 포함한, 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 핵심 소재들의 화학 및 조성 공학의 체계적인 발전에 기반을 두고 있다[1]. 그림 1a 에 나타낸 바와 같이, 페로스브카이트 태양전지에 활용되고 있는 할라이드 페로브스카이트는 기존에 많이 알려져 있는 금속 산화물 페로브스카이트의 기본 결정 구조와 거의 같은 결정 형태인 AMX3 (A는 유기 또는 무기 양이온, M는 일반적으로 금속 양이온, X는 할라이드 음이온)로 표현 할 수 있다.  페로스브카이트 태양전지의 광흡수층은 기본적으로 약 500 ~ 1000 nm 두께의 다결정 박막 반도체로 구성되며, 이 박막의 양측에 선택적 전하 이동을 유도하고 박막의 계면 결함을 방지할 수 있도록, 수~수십 nm 두께의 기능성 중간층 (Interlayer) 들이 형성 되어 있다[5].  

할라이드 페로브스카이트 소재의 가장 큰 매력은 높은 광흡수율, 높은 캐리어 이동도, 낮은 엑시톤 결합 에너지, 뛰어난 결함 내성을 포함하는 탁월한 광전자적 특성에서 비롯된다[6]. 고온 처리가 필요한 기존의 무기 반도체와 달리, 할라이드 페로브스카이트는 비교적 낮은 온도(80~150 C)에서 용액 공정으로 제조할 수 있어 저가의 인쇄공정으로 대량생산이 가능할 수 있다[7]. 이러한 장점에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지는 기존의 무기물 기반의 태양전지에 비하여 낮은 장기 안정성을 가지고 있기 때문에 이를 해결하기 위한 핵심 소재와 고효율을 손상하지 않으면서 장기안정성도 향상시킬 중간층의 개발이 필요하다[8].

다시 말하여, 페로브스카이트 태양전지의 낮은 안정성은 가해진 광/열의 스트레스로 부터, 구성된 박막 내의 이온 이동의 활성화로 야기될 수 있는 결정상 분리 그리고 외부 수분 유입으로 인한 분해 등을 포함한 복합적인 요소들이 관여하여 열화가 빠르게 일어나기가 용이하다[9]. 특히 요오드 기반의 할라이드 페로브스카이트는 요오드 이온과 납과 같은 금속 이온들이 광 조사하에 산화/환원 반응이 쉽게 일어날 수가 있기에 self-healing에 대한 연구도 활발하다[10].  이와 더불어, 고효율 태양전지 소자에 활용되고 있는 납기반의 페로브스카이트 광흡수체는 독성인 납을 포함하므로, 납을 포함하지 않는 비납계 페로브스카이트 광흡수체의 개발도 빠른 속도로 진행되고 있다[11]. 즉, 친환경성, 소자 고효율/고안정성 특성 모두를 달성할 수 있는 새로운 페로브스카이트 태양전지 소재 연구는 중요한 연구 방향이라고 볼 수 있다[12].

그림 1. a) 페로브스카이트 태양전지의 일반적 구조와 페로브스카이트의 기본 결정 구조 (AMX3 의 cuboctahedron: A 양이온, M 2가 양이온, X 할라이드), b) 각종 기능성 중간층과 페로브스카이트 물질과의 에너지 밴드 차이, c) 페로브스카이트 태양전지에서 발생한 전하 분리와 이동 경로 및 시간 범위. (그림 b와 c 는 참고문헌 4에서 차용)

페로브스카이트 태양전지 소자의 성능과 내구성 향상으로 상용화를 위해서는 그것에 적합한 전구체 소재 개발, 대면적 인쇄를 위한 전구체 잉크 최적화, 전하 수집을 위한 유무기복합 신소재 설계 까지를 아우르는 모든 연계성 기술이  필요하다[1]. 특히, 고효율/고안정성 달성을 위한 태양전지를 구성하고 있는 서로 다른 역할을 하는 중간 기능층(전자/전공 수송층과 광흡수층, 그림 1b)들 사이의 계면의 결함들을, 상당히 면밀히 제어된 공정을 통한 초박막 재료/공정 공학을 도입하여 비복사(Non-radiative) 전하 결합 손실을 최소화하고 보다 높은 전하 여기율을 이끌어 (그림 1c), 최근 몇 년간 동안 고효율화를 달성 할 수 있는 결함 제어층 개발이 보다 중요하게 여겨지고 있다[13]. 

본 리뷰에서는 조성 설계, 도핑 전략, 계면공학, 새로운 대안 소재에 중점을 두어 페로브스카이트 태양전지의 핵심 소재의 최신 개발 현황을 살펴보도록 한다. 구체적으로는, 광흡수층, 전자 수송층, 정공 수송 소재, 비납계 대안을 포함하여 페로브스카이트 태양전지 소자에 필요한 미래 소재 개발에 필요한 최근 기술을 종합하여 간단히 정리하였다. 이와 더불어, 기초 소재과학적 이해와 고성능 소자 구조에서 이들 소재의 실용적 구현 모두를 포괄하여 언급하고, 새로운 재료/소자 개발을 위한 머신 러닝과 고처리량 계산적 방법을 통해 소재 특성과 소자 성능 간의 관계를 이해하기 위한 내용도 간단히 소개하였다[14].

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 4월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>