상용화 최대 난제 '안정성' 해결한 한국의 기술 혁신

1. 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제

페로브스카이트 태양전지는 **26.3%**의 높은 효율을 기록하며 차세대 태양광 시장을 주도할 기술로 평가받지만, 수분·산소 민감성과 내부 결함으로 인해 상용화가 지연되고 있습니다. 특히 대기 중 습도 노출 시 수분과 반응해 결정 구조가 붕괴되는 현상과, 박막 내 전하 이동 경로의 결함으로 인한 효율 감소가 주요 장애물입니다.

2. UNIST의 음극 중간층 기술: 750시간 장기구동 사례

울산과학기술원(UNIST) 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입해 안정성과 효율을 동시에 개선했습니다.

1) 기술의 핵심 메커니즘

• 전자 이동 경로 최적화: 중간층은 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드로 구성되어 전자 수송 효율을 30% 이상 향상시켰습니다.
• 화학적 장벽 역할: 외부 산소와 수분의 침투를 차단하며, 박막 내부의 결정화 과정을 안정화합니다.
• 구조적 강성 강화: 광흡수층과 전극 간 계면 결함을 줄여 전하 재결합 손실을 최소화합니다.

2) 성능 검증

• 750시간 연속 구동: 60°C 환경에서 초기 효율의 81% 이상 유지 (기존 기술 대비 3배 향상).
• 수소 생산 활용: 광전극으로 적용 시 **33.0㎃/㎠**의 수소 생성 속도 달성 (외부 전원 없이 작동 가능).

3. 수분 및 산소 차단 기술: 화학연의 변형 응력 해소 공정

한국화학연구원은 페로브스카이트 박막 형성 과정에서 발생하는 변형 응력을 해결하는 기술을 개발했습니다.

1) 변형 응력의 원인

페로브스카이트 박막은 용액 상태에서 고체로 전환될 때 기판과의 열팽창 계수 차이로 인해 내부에 수축력이 발생합니다. 이는 미세 균열과 결함을 유발해 장기 안정성을 저해합니다.

2) 해결 전략

• 유기 단량체 첨가: 액체 상태의 페로브스카이트에 특수 유기 단량체를 추가해 냉각 시 쿠션 효과를 구현.
• 결정 크기 제어: 단량체가 큰 결정의 성장을 유도해 결함 농도를 40% 이상 감소시켰습니다.
• 자체 봉지 효과: 중합된 고분자가 박막 표면을 코팅하는 듯한 효과로 수분 차단 성능을 강화했습니다.

3) 성능 비교

지표기존 기술화학연 기술

효율 (0.14㎠)	22.26%	24.45%
대면적 모듈 (33㎠)	18%	20.31%
수분 내구성	즉각 분해	물방울 직접 노출 시 견딤

 

4. 내구성을 높이는 하이브리드 소재 개발

UNIST와 고려대 공동 연구팀은 유기-무기 하이브리드 소재를 활용해 화학적·기계적 안정성을 개선했습니다.

1) 하이브리드 소재의 장점

• 열적 안정성: 유기 양이온과 무기 할로겐의 조합으로 85°C 환경에서도 구조 유지.
• 에너지 준위 조절: 전자와 정공의 이동 경로를 최적화해 전하 손실을 15% 이상 감소.
• 결함 억제: 두 종류의 유기 양이온을 혼합해 박막 내 결함 농도를 10¹⁶/cm³에서 10¹⁴/cm³로 저감.

2) 실제 적용 사례

• 9,000시간 보관 안정성: 상온에서 1년 이상 보관 후 효율 100% 유지.
• NREL 인증: 2023년 미국 재생에너지연구소에서 25.82% 효율로 세계 최고 기록 공인.

5. 상용화를 위한 잔여 과제

1) 대면적 모듈 확장

현재 33㎠ 모듈에서 검증된 기술을 1㎡ 규모로 확대하기 위해 롤투롤 프린팅 기술과 결합한 연구가 진행 중입니다.

2) 납 배출 관리

주석 기반 페로브스카이트 소재의 비중을 50% 이상으로 높여 환경 리스크를 줄이는 방안이 모색되고 있습니다.

3) 제조 공정 표준화

• 진공증착 공정: 박막 두께 균일성을 ±2% 이내로 제어하는 기술 개발.
• 인듐 대체 소재: 알루미늄 도핑 아연옥사이드(AZO) 적용으로 원가 30% 절감 목표.

6. 글로벌 경쟁력과 미래 전망

   한국 연구진의 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율·안정성·대면적화라는 삼중고를 동시에 해결하며 글로벌 리더십을 강화하고 있습니다. 2027년까지 50MW 규모의 시범 생산라인 구축을 목표로 하며, 2030년에는 글로벌 시장 점유율 15% 달성이 예상됩니다. UNIST와 화학연의 기술 융합은 단순히 태양광 발전을 넘어 그린수소 생산, 웨어러블 에너지 소자 등으로 적용 영역을 확장하며 신산업 창출의 기반이 될 것입니다.

   이번 혁신은 페로브스카이트 태양전지가 20년 수명의 실리콘 전지와 경쟁할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 점에서 의미가 큽니다. 국내 연구진의 지속적인 기술 개발은 에너지 전환 시대에 한국이 주도권을 잡을 수 있는 전략적 기회로 작용할 것입니다.