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페로브스카이트 태양전지 부활

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태양에너지는 미래 전세계 에너지 믹스(energy mix)에서 중요한 역할을 담당할 것이며, 독일은 이미 광발전(photovoltaics)에 대한 수요가 가파르게 증가하고 있는 실정이다. 독일은 2020년까지 재생에너지로부터의 전기생산 비중을 35%로 설정하는 야심 찬 계획을 수립해 놓고 있으며, 2050년까지 100%를 달성한다는 계획이다. 태양전지는 지속적으로 이런 경향의 큰 비중을 차지할 것이지만, 과학자들은 정확히 어떤 종류의 기기 및 재료를 사용해 대량생산을 할 수 있을지 적절한 후보물질을 여전히 탐색하고 있다. 

이상적인 태양전지는 지구상에 풍부하며 가공 비용이 저렴하고 오랫동안 안정적이며 높은 효율을 가져야만 한다. 기존 기술은 주로 실리콘 기반의 태양전지를 포함하고 있지만, 새로운 도전자인 페로브스카이트는 빠르게 기존 재료들과의 경쟁구도로 진입하였다.

페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells)는 2013년 등장했으며, 그 이후로 광발전 연구 분야에서 활발히 연구되었고 단지 2년 만에 17% 이상의 효율을 달성하는 쾌거를 이루었다. 이런 전례 없는 발달은 회의론자 및 지지자 모두의 관심을 끌었으며, 수 십 년에 걸쳐 상대적으로 성숙단계에 있는 실리콘 기술의 성능과 유사한 수준까지 성능이 향상되었다. 

문제는 안정성(stability)에 관한 것으로, 대기 중 습기 및 산소에 노출되면, 특히 높은 온도에서 성능이 빠르게 저하된다는 점이다. 스위스 로잔 연방 공과대학(EPFL)의 Michael Gratzel 및 사우디아라비아와 중국대학 연구팀이 함께 수행한 최근 연구에서 이 문제를 직접적으로 해결하였는데, 사우디아라비아 제다(Jeddah) 지역의 덥고 습한 실외조건에서도 감지할 만한 정도의 성능저하 없이 뛰어난 안정성을 보여주었다. 하루 중 가장 더운 시간에 성능이 최고를 기록하였으며, 1주일 후 실험에서 100mV 실내 실험에서 보여 준 개방회로 전압 성능(open-circuit voltage performance)의 결과를 능가하였다. 이것은 차세대 광발전 기술의 게임 체인저(game changer)가 될 것이다.

페로브스카이트 태양전지는 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cells, DSSCs)의 일종으로, 고체 페로브스카이트 메탈 할라이드(metal-halide) 염료(CaTiO3) 결정구조를 광 흡수체로 사용하고 있다. Gratzel이 본 연구에서 사용한 CH3NH3PbI3 흡수재료는 용액가공이 가능하기 때문에 대규모 상업화가 가능하며, 인쇄와 같이 높은 생산량으로 낮은 원가를 유지할 수 있는 생산 제조법으로 활용할 수 있다. 

또한 본 연구에서 과학자들은 기존의 메탈 접점 물질을, 용액으로부터 제조할 수 있는 단순한 카본블랙/흑연 물질층을 갖는 전자 차단층(electron-blocking layer)으로 교체하였다. 에너지 사용량이 많은 메탈 증착(metal evaporation)법을 이용하지 않으므로, 태양전지 모든 성분을 저렴하게 가공할 수 있는 기회가 되고 있다. 페로브스카이트 CH3NH3PbI3 층은 전통적으로 고온에서 분해되어 PbI2를 부산물로 생성하는 경향이 있지만, 본 연구에서 소개한 새로운 아키텍처를 가진 태양전지는 실외 실험 및 3개월간 섭씨 80°C 이상의 온도에서 시행한 안정성 실험에서 분해의 증거를 나타내지 않았다. 

이런 결과는 지금까지 제기된 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제가 재료의 근본적인 문제점이 아니며, 적절한 재료의 선택과 기기 설계를 통해 극복할 수 있음을 보여주는 것이다. 더 많은 연구팀들이 재료에 대한 연구를 수행하고 있기 때문에 이 분야의 발전은 가속화될 것이 자명하며, 페로브스카이트 태양전지는 곧 실리콘 기반의 기기가 이루어 놓은 입지를 흔들어 놓게 될 것이다. 이것은 단지 2년 전만 해도 그 누구도 예상하지 못했던 일이기도 하다.

그림> 인쇄 가능한 3층으로 구성된 페로브스카이트 태양전지의 단면을 보여주는 그림
 
원문정보> Outdoor Performance andStability under Elevated Temperatures and Long-Term Light Soaking ofTriple-Layer Mesoporous Perovskite Photovoltaics, Energy Technology, DOI:10.1002/ente.201500045 

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