페로브스카이트 요약 (신성식 교수)

-신성식 교수는 한국화학연구원 선임연구원을 지내다가 현재 성균관대학교 나노공학과 교수로 재직중.

-우리나라는 페로브스카이트의 선두주자로 유니스트와 한국화학연구원에서 대부분의 성과를 내는 중

-현재 NREL(미국 국립재생에너지 연구소) 태양 전지별 효율 차트에 공식 등재된 페로브스카이트의 최고 효율은 중국과 한국간의 각축전이 벌어지고 있고, 현재는 USTC(중국과학기술대학교)의 26.7%가 최고 기록이며, 우리나라도 25%이상의 효율을 보유하고 있다.

 

▶역사

-19세기 러시아 우랄산맥에서 발견된 것으로,  러시아 광물학자 페로브스키를 존경하는 마음에 그 이름을 따서 작명.

-처음 발견된 것은 CaTiO3로 ABX3 결정 구조를 가지고 있고, 서로 다른 양이온 A,B와 음이온 X가 1:1:3의 비율로 결합.

-A는 12개의 X와 B는 6개의 X와 연결되어 육면체나 팔면체가 반복되는 결정 구조.

-이후에도 ABX3의 구조를 가지는 광물이 발견되면서 이러한 구조를 가진 광물을 페로브스카이트라 부름.

-처음에는 금속산화물 형태로 발견되어 강유전체, 압전체, 초전도체 등으로의 연구가 진행

-2009년 일본 도쿄대학의 미야자카 교수 연구팀이 X-site에 산소가 아닌 할로게인 위치한 유무기 복합 페로브스카이트 물

 질을 태양전이의 광흡수층에 세계최초로 적용하면서 약 3.8%의 효율을 가진 태양전지로 시작됨. 안정성도 안좋아서 몇분후에 파괴됨.

-그 후 2012년에 성균관대의 박남규 교수팀과 로잔공대의 마이클 그라첼 연구팀이 한팀. 일본 도쿄대의 미야자카 교수팀과 옥스포드대의 헨리 스네이스 교수팀이 한팀이 되어 경쟁하며 발전.

-현재는 실험실에서는 26.7%까지 효율이 찍이면서, 실리콘 태양전지의 효율에 버금가는 상태. 물론, 대면적 양산형 제품은

 아직 개발중

-우리나라 연구팀이 원천기술을 보유하고 선두주자로 있으며, 성균관대의 박남규 교수는 노벨상 후보로까지 거론되고 있으며, 성균관대, 한국화학연구원, 유니스트가 이끌고 있으며 중국과 경쟁중.

 

 

▶태양전지의 종류

- 실리콘계

- 화합물반도체계

- 유무기계

 

▶ 상용화 순서에 따라서는

1세대 태양전지 : 실리콘

2세대 태양전지 : 박막 실리콘, CIGS, CdTe

3세대(차세대) 태양전지 : DSSC, OPV, 페로브스카이트

 

현재 태양전지의 90%이상이 실리콘 태양전지이다.

2세대 박막 태양전지(CIGS, CdTe)등도 20%이상의 효율이 나오고 내구성이 보장되어 8% 수준의 시장 점유율

이렇게 1,2세대 태양광전지가 고효율 및 내구성 안정성이 보장되는 데도 불구하고 국토의 효율적 활용과 주민 수용성 개선이 기반되는 반투명한 영농형, 빌딩일체형, 차량일체형 태양전지등으로 적용하기에는 무겁고, 투명하게 만들기 어려운 단점이 있음.

이러한 단점을 극복하기 위해 염료감응형 , 유기 태양전지등 다양한 3세대 태양전지를 개발중이나, 1,2세대 대비 낮은 효율로 상용화에 어려움을 겪는 중.

 

3세대 태양전지 중 페로브스카이트 태양전지는 최근 10년간 연구를 통해 광전변환 효율이 비약적으로 상승

실리콘 단일소자의 최대 효율과 비슷한 효율까지 달성.

 

▶페로브스카이트 구조 및 작동원리

 

- 흡수층인 유무기 복합 페로브스카이트 층에서 빛을 흡수하여

- 전자와 정공 쌍을 생선한 뒤 내부 전기장에 의해 전자-정공 쌍을 분리

- 전자는 전자 수송층에 의해 선택적으로 수집되고, 정공은 정공 수송층에 의해 수집되어 흐르며 전류가 발생

- 대표적인 페로브스카이트 태양전지 물질로는 MAPbI3(CH3NH3PbI3), FAPbI3(CH(NH2)2PbI3) 

- 최근에는 단일 물질이 아닌 MAPbBr3 또는 FAPbBr3같은 물질을 혼합하여, 안정성 및 효율을 향상시킴

 

▶ 페로브스카이트의 장점.

- ABX3의 구조를 가진 물질을 페로브스카이트라고 하고 태양광전지에 쓰이는 광물도, Pb, Br등 흔한 광물이라 지리적 리스크가 없음.

- 메이저인 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 실험실에서 달성. 양산 가능성이 보임

- 용액공정으로 매우 저렴하게 제작. 150℃이하의 저온공정이 가능하고, 잉크젯을 이용한 인쇄공정으로 손쉽게 대량생산이 가능.

- 가볍고 투명하게 제작이 가능하여 국토희 효율적 활용 및 주민 수용성이 개선

- 에너지 레벨 즉 밴드갭을 다양하게 조절 가능. 이렇게 하여 투명성 및 색깔이 조절됨.

- 밴드갭을 조절하여 투명하게 함으로써 장파장은 페로브스카이트에서 단파장은 실리콘 전지에서 흡수하게 하는 탠덤셀이 가능. 이론적 효율이 44%까지 가능.

- 높은 광흡수 개수 때문에 빛을 굉장히 잘 흡수하기 때문에 얇게 제작 가능하고

- 생성된 전하의 확산거리가 매우 길다.

- 가장 큰 장점은 가볍고 휘어지는 태양전지가 가능해서 확장성이 크다.

 

▶ 페로브스카이트 해결해야할 문제점

- Pb등 유독성 물질을 대체해야 함. 가격도 중요

- 유기물이 수분에 취악함.

- 안정성 , 내구성이 올라가야 함. 아직도 해결해야 할 문제가 많음.

 이 문제 때문에 실리콘 전지를 완전히 대체한다기 보다는 탠덤으로 쓰이거나, 실리콘 전지를 쓸 수 없는 곳에서 적용하면서 침투율이 증가할 것으로 보임. 

- 중국의 과잉 생산은 여전히 골치거리. 물론, 미국이 중국을 어느정도 막아주기는 하지만

 

.현재 해결되는 방향

-페로브스카이트 입자의 크기와 균일성이 효율과 안정성을 향상시킬 수 있다.

-화학첨가제에 의해 입자의 크기가 커지고 균일성이 좋아짐

-전자수송층도 균일하게 하여 대면적 페로브스카이트 태양전지 개발중

 

▶ 페로브스카이트의 효율 향상 기술 예시(신성식 교수팀)

- 페로브스카이 소재 뿐만 아니라 전자 수정 소재도 매우 중요.

- 전자 수송 소재의 결함이 없어야, 빛에 의해 생성된 전자가 죽지 않고 살아서 효율을 증가 시킬 수 있다.

- 전자가 잘 이동하면 전압이 높아지고 높은 효율이 가능해진다.

- 또한 Br을 합성하여 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 안정적으로 확보하여 고효율 달성 가능

- 이렇게 고효율 페로브스카이트 소재와 전자수송층을 결합하여 0.1㎠에서 25.2%, 1 ㎠ 소자에서 23% 효율을 기록

 

▶페로브스카이트 시장

- 2025년이 상업화의 원년

- 중국, 유럽, 한국의 페로브스카이트 태양전지 기술이 발전하며 25~26년에 양산 단계에 돌입

- 중국의 페로브스카이트 태양전지 생산능력은 24년 2GW에서 30년 161GW로 급증 전망. 

   시장 침투율도 24년 0.5% 수준에서 30년 30%로 증가

- 롱지(LONGI)는 페로브스카이트 탑콘 탠덤 모듈을 2㎡면적까지 확대할 수 있고, 25년 말에 양산 예정

- GCL은 올해 말까지 GW급 페로브스카이트 모듈 생산라인을 완공 후 25년 대량 생산 예정

- 영국의 스네이스 교수팀의 Oxford PV는 탠덤 모듈을 9월 5일 세계 최초 상업 판매 시작. 미국 유틸리티 규모 설비에 투입될 전망.

- 한국의 한화솔루션은 24년 말 실리콘+페로브스카이트 탠덤전지 생산을 위해 진천에 파일럿 설비를 구축 완료하고 26년 말 양산 계획

- 현재 한화시스템 사내 벤처 '플렉셀 스페이스'에서  위성용 태양광 전지로 CIGS+페로브스카이트 탠덤전지 개발중. 저궤도 위성 시장이 매우큼.

- 이 시장 또한 중국의 공급과잉이 발생할 수 있지만, 미중 패권전쟁으로 인한 수혜를 받을 수 있을 것으로 보고 추이 관찰

 

                                                  < 태양 전지 소재별 효율 차트 at NREL >