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페로브스카이트 기반 차세대 태양전지 발전과 기술동향
2021-04-06 hit 1490
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페로브스카이트 기반 차세대 태양전지 발전과 기술동향


세종대학교 나노신소재공학과 김동회


1. 서론



림 1. a) 우리나라 전기 생산 비중. 한국전력공사 제공 1), b) 재생에너지원 비중 변화. 산업통상자원부 제공 2)


현대 사회에 들어 인류 에너지 소비량이 급증하고 있으며 현대 사회 가장 편리하고 안전한 에너지로 전기에너지가 사용되고 있다. 그림 1-a와 같이 대부분의 전기에너지는 주로 화석연료를 이용하여 생산되고 있다. 1) 하지만 화석연료는 유한 자원이며 환경 오염 문제를 야기한다는 점에서 다른 형태의 전기에너지 생산 연구가 필요한 실정이다. 이미 수력발전, 풍력발전, 태양광발전 등 친환경 신재생에너지를 생산하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그림 1-b와 같이 태양광발전 에너지의 비중은 다양한 신재생에너지 중 가장 큰 것으로 나타났고, 향후에는 태양광발전 에너지의 비중이 57%까지 증가할 것으로 예측하고 있는 실정이다. 2)

이러한 이유로 실리콘(Si) 태양전지, 무기 태양전지, 유기 태양전지를 비롯한 여러 종류의 태양전지가 개발되었지만 아직은 다른 분야에 비해 많은 연구가 필요한 상황이다. 최근 약 10년간 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)는 월등한 효율 증가를 보여주었으며 태양전지로써 유리한 여러 특성 때문에 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 



그림 2. a) 페로브스카이트 구조 삽화 3), b) 200-800nm 파장 영역에서 다양한 물질의 흡광 계수를 비교한 그래프 4)


우선 페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된 칼슘 티타늄 옥사이드(Calcium titanium oxide) 광물을 최초로 발견한 광물학자 L. A. Perovski(1792-1856)의 이름에서부터 유래되었으며 ABX3라는 결정 구조를 일컫는다. 그림 2-a와 같이 A 자리에 유기 양이온, B 자리에 전이 금속, X 자리에 할로겐화 음이온으로 구성되어 있다. 3) 태양전지의 광흡수층으로서 페로브스카이트가 각광받게 될 수 있었던 가장 큰 이유는 높은 흡광 계수를 지녔다는 것이다.  페로브스카이트 물질은 가시광선 영역에서 뛰어난 흡광 계수를 보여주고 있으며 장파장 영역으로 갈수록 실리콘보다 눈에 띄게 높은 흡광 계수를 보여준다. (그림 2-b) 4) 높은 흡광 계수를 가졌다는 특징은 태양전지 관점으로 볼 때 전기 에너지로 변환시키기 위한 많은 빛을 흡수할 수 있다는 의미이기 때문에 가장 중요한 요소라고 말할 수 있다. 페로브스카이트 소재는 이러한 특징 외에도 조성에 따라 쉽게 밴드갭을 바꿔 빛을 흡수하는 영역을 조절할 수 있다는 특징과 전하의 긴 확산 거리를 통해 전하의 이동 능력이 우수하다는 특징 그리고 저온 제작 공정이 가능하다는 특징 등 차세대 태양전지에 적합한 여러 장점을 가지고 있다. 


2. 페로브스카이트 태양전지 효율 동향


페로브스카이트 태양전지는 2009년 처음으로 일본의 미야자카 교수 연구팀에 의해 3.8%의 전력변환효율(Power Conversion Efficiency)이 보고되어 국제 과학계에 엄청난 관심을 끌었다. 5) 페로브스카이트 태양전지는 두꺼운 다공성 타이타늄 옥사이드(Titanium Oxide)를 이용한 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)로부터 시작되었으며 유기 염료 대신 메틸 암모늄 리드 아이오다이드(Methylammonium lead iodide) 또는 메틸 암모늄 리드 브로마이드(Methylammonium lead bromide)를 광흡수층으로써 사용했다. 이후 2012년 성균관대학교 박남규 교수 연구팀과 스위스의 로잔 연방 공과대학교(École Polytechnique Fédérale de Lausanne) 마이클 그라첼(Michael Grätzel) 교수 연구팀이 메틸 암모늄 리드 아이오다이드를 광흡수층으로 사용하여 AM-1.5 태양광 조명에서 9.7%의 전력변환효율을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 보고하였다. 6) 



그림 3. 페로브스카이트 태양전지(노란색 동그라미)의 효율 동향. NREL 제공 8)


2013년 한국화학연구원(KRICT) 페로브스카이트 연구팀과 스위스의 로잔 연방 공과대학교 마이클 그라첼 교수 연구팀이 mesoporous-타이타늄 옥사이드의 이중 연속 3차원 나노 복합체와 메틸 암모늄 리드 아이오다이드 페로브스카이트로 구성된 샌드위치 유형 구조를 소개하게 된다. 7) 이는 저비용, 용액 공정 방법, 고효율 태양 전지의 새로운 가능성을 보여주는 시도가 되었으며, AM-1.5 태양광 조명에서 12.0%의 전력변환효율을 기록하였다. 

2014년 한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀은 메틸암모늄 리드 아이오다이드와 메틸 암모늄 리드 브로마이드 사이의 Highest Occupied Molecular Orbital(HOMO) 에너지 준위를 가진 PTAA(poly(triaryl amine)) 정공수송물질을 개발하였고 메틸 암모늄 리드 아이오다이드 페로브스카이트와 개방전압의 최적화에 성공하여 16.2%의 전력변환효율 보고하였다. 9) 이 수치는 2013년 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 차트 페로브스카이트 태양전지 분야 세계 최고 효율로 등재되었으며 이를 통해 기존 실리콘 기반 태양전지보다 더 효율적인 태양전지를 대량 생산할 수 있을 것임을 보여주었다. 8)



그림 4. a) 아이오다이드 이온 농도 증가에 따른 전력변환효율 동향 그래프 10), b) 정공수송층으로 사용된 폴리(3-헥실 티오펜)과 이중층 할로겐화물 기반의 페로브스카이트 태양전지의 구조(좌)와 두 층 사이의 분자 구조 삽화(우) 11), c) Chemical Bath Deposit 방법의 반응 시간에 따라 증가하는 산도와 이에 해당하는 사진. 시간이 지날수록 더 많은 산소가 증착되며 PH 1.5에서 가장 이상적인 커버리지와 두께를 보여줌 12)


2017년 울산과학기술원 석상일 교수 연구팀과 한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀이 포름아미디늄 납 할라이드(Formamidinium lead halide) 기반 페로브스카이트 광흡수층 내의 요오드(Iodide) 이온 관리를 통해 결함 수를 감소시켜 부족했던 개방 전압과 단락 전류를 끌어올리는 데에 성공하였다. 10) 그림 4-a와 같이 추가적인 요오드 이온 첨가를 통해 깊은 준위 디펙트 농도 감소와 효율 증가에 성공하였고, 이를 통해 22.1%라는 페로브스카이트 태양전지 인증 효율을 달성하였다. 연이어 2019년 한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀은 페로브스카이트 광흡수층의 표면에 n-헥실 트리 메틸암모늄 브로마이드(n-hexyl trimethyl ammonium bromide)와의 반응을 통해 이중층 할로겐화물(Double-layered Halide Architecture) 기술을 개발하여 결함을 감소시키고 동시에 형성된 n-HABr 기반의 넓은 밴드갭 할로겐화물 층은 폴리(3-헥실싸이오펜)(Poly(3-hexylthiophene)) 정공 수송층의 결정 배향성을 개선하여 기존의 홀 전도 특성을 개선하여 고효율, 안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성하였다. (그림 4-b) 11)

한국화학연구원 페로브스카이트 연구팀은 이후 미국 MIT 재료공학과의 바웬디 교수 연구팀과 공동연구를 통하여  그림 4-c에서 보는 것과 같이 Chemical Bath Deposit 공정 중 반응시간에 따라 pH가 변하면서 형성되는 SnO2의 미세 Oxygen 음이온의 농도 차이를 이용하여 전자수송층으로 적용되고 있는 SnO2 물질의 이상적인 두께 및 물성 특성을 확보하고 거친 기판 표면에 높은 균일도로 증착되는 공정을 연구 개발하였다. 이를 통하여 전자수송층과 페로브스카이트 광흡수층 사이에서 발생하는 재결합 현상을 억제함으로써 개방전압의 손실을 최소화하여 NREL 공식 인증 효율 25.2%를 기록하였다. 12) 이는 페로브스카이트 태양전지의 이론 효율이 현재 사용화 되어있는 실리콘 태양전지의 최고효율 26%와 1% 이내로 격차를 좁혔다는 데에 의의가 있다. 

이후 현재까지 국내의 고려대학교 노준홍 교수 연구팀, 울산과학기술원의 석상일 교수 연구팀 등에서 25.2%의 인증효율을 갱신하여 현재 25.5%의 세계 최고 인증효율을 국내에서 보유하고 있다. 이론적으로 특정 밴드갭을 지닌 반도체 물질이 현실적으로 달성할 수 있는 최대 효율은 이론 효율의 80~85% 정도를 보고 있는데 현재 국내에서 확보한 인증 효율 기록은 해당 페로브스카이트 밴드갭에서의 이론 효율 대비 77%에 해당하여 국내의 페로브스카이트 기술이 세계 최고 수준임을 증명하는 연구 결과라 할 수 있다. 8) 


3. 페로브스카이트 적층형 태양전지 연구 동향


그림 5. a) 밴드갭 별 태양전지 이론적 최대 효율(Shockley-Queisser limit) 13), b) 적층형 태양전지를 위한 넓은 밴드갭 페로브스카이트의 이론적 최대 전력 변환 효율. 점선은 Shockley-Queisser limit의 상대적인 값을 나타냄 14)


그림 5-a는 태양전지용 물질의 밴드갭 별 이론적 효율 한계인 Shockley-Queisser limit을 나타낸 그래프이다. 이론적으로 광전변환 물질은 약 1.3 eV의 밴드갭에서 33%의 최대 전력변환효율을 얻을 수 있다고 계산된다.13) 많은 태양전지 연구자들은 태양전지의 에너지 경제성 확보를 위하여 Shockley-Queisser limit을 넘는 30% 이상의 광전기 변환 효율을 달성하기 위한 연구를 진행하고 있다. 여러가지 방안 중에서 밴드갭이 다른 여러 물질을 동시에 사용하여 각 파장 별 광에너지를 최대한 활용하는 적층형 태양전지가 대안으로 주목받고 있다. 

적층형 태양전지의 기본적인 구동 원리는 다음과 같다. 서로 다른 밴드갭을 가지는 2개 이상의 광 흡수 소재를 전기적으로 결합하여 태양 빛을 흡수하는 스펙트럼의 손실 최소화하고 보다 폭 넓은 영역의 스펙트럼을 받을 수 있는 태양전지를 만드는 것이다. 일반적으로 넓은 밴드갭을 가지는 태양전지가 먼저 태양빛을 흡수한다. 이때 밴드갭 보다 낮은 광자에너지를 갖은 광자는 흡수되지 못하고 투과하게 된다. 이후 좁은 밴드갭을 가지는 태양전지에서 흡수가 일어나게 된다. 이러한 원리를 통해 폭넓은 스펙트럼을 활용할 수 있게 되고 단일 태양전지보다 증가된 효율을 얻어낼 수 있게 된다. 따라서 적층형 태양전지에서는 주로 사용되는 넓은 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 소재 기반의 연구가 활발히 진행되고 있다. 14) 



그림 6. a) 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지의 구조 15), b) CIGS/페로브스카이트 적층형 태양전지의 구조 18)

실리콘/페로브스카이트와 CIGS/페로브스카이트 적층형 태양전지에 사용되는 넓은 밴드갭 페로브스카이트는 1.65-1.70 eV 밴드갭의 페로브스카이트 소재가 사용되고 있다. 1.68 eV 밴드갭을 기반으로 제작된 단일 페로브스카이트 태양전지는 현재까지 약 21%가 최대 전력변환효율로 보고되었고 이는 1.68 eV 밴드갭의 이론 최대 효율의 70% 수준으로 위에서 언급한 페로브스카이트 최고 효율과 비교했을 때 아직 연구 개발의 여지가 많다고 볼 수 있다. 이러한 부분을 개선한다면 적층형 태양전지의 전력변환효율을 현재보다 월등히 증가시킬 수 있을 것으로 기대된다. 


그림 7. a) 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지 내의 n형 실리콘과 p형 에미터 사이 전하 터널 현상을 보여주는 밴드 다이어그램 15), b) Inplane에 형성된 2차원 부동화층 17), c) PTAA와 Me-4PACz 위에 증착된 페로브스카이트에서 생성되는 전하 수명을 보여주는 그래프. 삽입된 그림은 PTAA와 Me-4PACz의 분자 구조 삽화 18)


적층형 태양전지 중 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지는 가장 활발히 연구되고 있다. 실리콘 태양전지는 이미 고도화된 기술을 통해 안정적이며 태양전지 시장의 90%를 점유하고 있지만 최근 효율면에서 미미한 발전을 보여주었다. 이러한 실리콘은 1.1 eV의 밴드갭을 가진 소재로 주로 장파장(적외선) 영역의 빛 에너지를 흡수하며 1.67 eV에서 1.69 eV의 넓은 밴드갭을 가진 소재와 적절한 밴드갭 매칭을 통해 적층형 태양전지를 이룰 수 있다. 2015년 미국 MIT 조나단 프라다나 말로아(Jonathan Pradana Mailoa) 연구팀은 실리콘 터널 접합을 이용한 최초의 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지를 구현하는데 성공하여 1.65 V의 높은 개방전압과 13.7 %의 안정적인 전력변환효율을 기록하였다. 15) 이를 통해 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지에서 그림 7-a와 같이 n형 실리콘과 p형 에미터의 터널 접합에서 발생하는 전자와 정공의 재결합에 의해 전하적 중성을 유지하는 것이 중요하다는 것을 증명하였다. 2020년 상반기 세종대학교 김동회 교수 연구팀은 한국과학기술원(KAIST), 미국신재생에너지연구소, 서울대학교와 공동으로 넓은 밴드갭 페로브스카이트의 상 분리 현상을 페네틸암모늄(Phenethylammonium) 기반 2차원 첨가제 음이온 공정을 통해 결정립계에 결함부동화 층을 형성함으로써 20.7%의 페로브스카이트 태양전지 전력변환효율과 26.7%의 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지를 제작하여 높은 전력변환효율 증명하였다. (그림 7-b) 17) 2020년 하반기 독일 헬름홀츠(Helmholtz) 연구 센터 스티브 알브레히트(Steve Albrecht) 연구팀은 기존에 사용하던 정공수송물질인 PTAA 대신 Me-4PACz 물질을 Self-Assemble Monolayer로 사용하여 정공의 효율적인 추출을 이뤄냈으며 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지의 효율을 29.05%까지 증가시키는데 성공하였다. (그림 7-c) 18) 지속적인 발전을 통해 현재 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지의 세계 최고 효율은 29.5%이지만 최적화된 전류 매칭을 성공한다면 이론적으로 최대 46%의 광전변환효율을 가지는 적층형 태양전지를 구현할 수 있다고 알려져 있다. 8, 19) 

그 외의 적층형 태양전지로 CIGS/페로브스카이트 적층형 태양전지와 페로브스카이트/페로브스카이트 적층형 태양전지 등이 있다. 우선 Chalcopyrite(CIGS) 화합물은 1.1 eV에서 1.24 eV의 좁은 밴드갭을 가지는 소재로 직접 밴드갭을 가지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 그리고 셀레늄(Se) 원소로 구성되며 갈륨과 갈륨+인듐의 세밀한 비율 조정을 통해 1.1 eV에서 1.24 eV의 밴드갭 조절이 가능하다. CIGS/페로브스카이트 적층형 태양전지는 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지와 유사하게 좁은 밴드갭을 가진 CIGS 화합물 위에 1.65-1.70eV의 넓은 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 소재를 증착하여 구동된다. 현재 CIGS/페로브스카이트 적층형 태양전지의 인증 최고 효율은 24.2%로 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지에 비해 약 5% 정도 낮은 전력변환효율을 보이고 있지만 CIGS는 실리콘과 경쟁할 수 있는 소재 중 가장 유망하여 연구 가치가 있는 광전 소재로 각광받고 있는 실정이다. 8)



그림 8. a) 페로브스카이트/페로브스카이트 적층형 태양전지의 구조 21), b) Out of plane에 형성된 2차원 부동화층 20), c) 좁은 밴드갭 페로브스카이트 산화 방지 메커니즘 삽화 21)


다음으로 페로브스카이트/페로브스카이트 적층형 태양전지는 뛰어난 광전 특성을 지닌 페로브스카이트 소재가 조성에 따라 쉽게 밴드갭을 바꿀 수 있다는 특징을 가장 잘 이용한 사례로 볼 수 있다. 주로 메틸 암모늄 리드 아이오다이드(MAPbI3)를 기반으로 B 양이온을 납(Pb) 대신 주석(Sn)으로 치환해 낮은 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 소재를 만들고, X 음이온을 아이오딘(I) 대신 브로민(Br) 또는 염소(Cl)로 치환해 넓은 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 소재를 만든다. 2019년 미국의 신재생에너지 연구소의 카이 주(Kai Zhu) 박사 연구팀은 좁은 밴드갭 페로브스카이트에 구아니디늄 티오시아네이트(Guanidinium thiocyanate) 첨가를 통해 그레인 바운더리에 2D 부동화층을 형성하여 1 마이크로 이상의 전하 수명 시간과 20% 이상의 전력변환효율을 기록하였다. (그림 8-b) 20) 또한 페로브스카이트/페로브스카이트 적층형 태양전지를 4-터미널 구조에서 25%, 2-터미널 구조에서 23.1%의 전력변환효율을 보여주었다. 2020년 중국의 난징 대학교 하이렌 탄(Hairen Tan) 교수 연구팀이 포름아미디늄 설파이닉 에시드(formamidine sulfinic acid) 첨가를 통해 좁은 밴드갭 페로브스카이트 산화 방지 기술을 선보이며 페로브스카이트/페로브스카이트 적층형 태양전지 인증된 전력변환효율 24.2%, 연구실 내에서 측정한 전력변환효율 25.6%를 확보하였다. (그림 8-c) 21)


4. 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌: 납의 환경 오염문제


앞서 언급한 바와 같이 차세대 태양전지로써 페로브스카이트 태양전지는 높은 전력변환효율인 25.5%를 달성하며 가장 유망한 친환경 에너지원으로 연구되고 있다. 8) 하지만, 페로브스카이트 구조의 ABX3 조성 중 B 양이온 자리에 널리 사용되고 있는 납은 대표적인 중금속 물질로 환경 오염을 유발하여 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 납을 사용하지 않는 비납계 페로브스카이트 조성의 연구가 진행되고 있지만 낮은 전력변환효율로 상용화까진 더 많은 연구가 필요하다. 22)

이러한 납 문제를 해결하기 위해 다른 방법들이 연구되고 있으며 최근에는 납을 사용하되, 사용된 납을 수집 및 재활용하는 연구가 주목받고 있다. 이러한 납 격리 및 재활용과 관련된 연구 결과를 소개하려 한다.


- 해결법 (1): 납 흡수 분자 필름을 통한 납 격리 (lead sequestration)


미국 신재생에너지 연구소의 카이 주 박사 연구팀과 노던 일리노이(Northern Illinois) 대학의 타오 쑤(Tao Xu) 교수 연구팀은 공동 연구를 진행하였다. 화학적 원리를 적용하여 납 흡수 분자를 통해 소자 내에서 분해되는 납의 96% 이상을 흡수하는 납 격리법을 2019년 11월 국제 학술지 ‘네이처‘지를 통해 발표했다. 23) 연구진은 소자의 한쪽 면에는 납과 강하게 결합하는 인산기(phosphonic acid group)를, 다른 한쪽에는 납 킬레이트제를 혼합한 필름을 적용하여 납 흡수 분자 필름들이 소자를 감싸는 구조를 개발했다. 23)


그림 9. a) 납 흡수 분자 필름을 적용한 페로브스카이트 태양전지, b) 납 흡수 분자 필름 적용 유무에 따른 납 유출 양 테스트 23)


해당 구조를 적용하여 납 유출 확인 실험을 진행했고, 그 순서는 (1) 소자를 망치, 면도날을 사용하여 파괴, (2) 파괴된 소자를 40 ml 물에 3시간 동안 담금, (3) 담긴 물 안에 잔여 납 농도 검출을 통한 유출량 측정, 세 단계의 과정으로 진행됐다. 실험 결과, 납 흡수 분자 필름을 적용한 소자는 수분에 의해 분해된 납이 분자 필름에 흡수되어, 미적용 소자 대비 96.6 ~ 97.9%의 납 유출 차단 효과를 확인했다. 23)


- 해결법 (2): 납의 수집 및 분리 시스템을 통한 납 성분의 재활용


그림 10. a) 페로브스카이트 태양전지의 재활용 과정, b) 재활용된 페로브스카이트 태양전지의 효율비교 24)

위의 연구사례와 같이 납을 수거하는 방법에 대한 연구가 주목받기 이전에, 수거된 납 성분을 재활용하는 연구를 2016년부터 진행되었고 이러한 연구 결과가 최근 주목받고 있다. 세종대학교 김동회 교수 연구팀과 성균관대학교 정현석 교수 연구팀은 2016년 3월 ‘네이처 커뮤니케이션’지에 발표한 연구는 극성 비양자성 용매가 납 양이온(Pb2+)과 쉽게 반응하는 특성을 활용하여, 페로브스카이트 층을 분해하여 상부 금속전극과 하부 투명 전도 성 기판, 전자 수송층을 재활용하는 방법을 개발했다. 24) 페로브스카이트 태양전지를 극성 비양자성 용매에 담그면 전공 수송층과 페로브스카이트 층이 분해되고 상부전극의 박리가 발생한다. 박리된 금속전극은 불순물 함량이 ‘0.41%’로 정제과정을 통해 충분히 재활용 가능한 수치이다. 극성 비양자성 용매에 의해 분해되지 않은 하부전극 및 전자 수송층은 세척과정을 거쳐 재활용이 가능하며 재활용 과정을 거친 소자는 이전 소자 대비 성능에 큰 차이가 없음을 확인했다. 24)

위의 연구에선 수산화 아파타이트(hydroxyapatite, HAP) 활용을 통해 용매에 잔여하는 납을 흡착하여 99.99%까지 제거할 수 있음을 보였지만 납 성분을 분리하는 것은 또 다른 문제였다. 세종대학교 김동회 교수 연구팀과 성균관대학교 정현석 교수 연구팀은 공동연구를 통해 해당 연구의 후속 연구로 진행한 수산화 아파타이트를 활용하여 수집한 납을 분리하고 페로브스카이트 태양전지로 재활용하는 시스템을 개발했다. 25)


그림 11. a) 수산화 아파타이트에 철 나노 입자 도핑을 통한 납 흡착성 향상, b) 납 제거 시스템 적용 이전과 이후의 납 검출량 비교 데이터 25)

해당 연구에서 제시한 수산화 아파타이트/철 다기능성 분자는 할로우 구조의 수산화 아파타이트 표면에 철 나노 입자를 도핑하는 과정을 통해 납 흡착성 향상 및 자성을 이용한 분리를 가능하게 했다. 납이 흡착된 수산화 아파타이트/철 분자는 전자기 코일을 활용한 분리 시스템을 거치며 납 성분이 99.97% 회수되었고, 분리 후 남은 용매는 납 성분 분리 전 4000 ppb 농도에서 미 환경보호청 납 기준치(15 ppb 이하)를 만족하며 상용화에 가까운 수준의 정제 시스템을 개발하였다. 25) 또한, 수집된 납 성분을 재활용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작했을 때, 재활용 이전의 소자 대비 성능에 큰 차이가 없는 것을 확인하며 재활용 시스템의 안정성 및 효율성을 증명했다. 


그림 12. 페로브스카이트 태양전지 모듈의 재활용 공정 25)


이와 같은 납 격리 및 재활용을 통한 납 성분 문제의 해결연구는 고효율의 성능을 유지, 재활용을 통한 제조 단가 절감, 그리고 납에 의해 발생할 수 있는 환경 문제를 해결함으로써, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 밑바탕이 될 것이다.


5. 결론 


미래에 급증하는 인류 에너지 소비량과 화석연료의 문제점에 대응하기 위해 신재생에너지의 개발이 필수적이다. 신재생에너지 중 가장 상용화에 유리한 에너지는 태양광 에너지이다. 필요에 의해 태양전지 연구가 활발히 진행되어 왔으며 차세대 태양전지 중 급격한 발전을 보여준 페로브스카이트 태양전지가 상용화에 가장 유력한 후보이다. 페로브스카이트 태양전지는 약 10년 동안 전력변환효율 3.8%에서 25.5%로 급속한 발전을 보여주었으며 현재 실리콘 태양전지와의 효율 격차를 1% 이내로 좁히는데 성공하였다. 이러한 페로브스카이트 태양전지의 효율을 더 증가시키기 위해 적층형 태양전지의 연구가 시작되었다. 좁은 밴드갭을 가지는 실리콘과 넓은 밴드갭를 가지는 페로브스카이트의 적절한 밴드 매칭으로 고효율 태양전지를 구현할 수 있다는 특징 때문에 적층형 태양전지 중 실리콘/페로브스카이트 적층형 태양전지의 연구가 가장 활발히 진행되고 있다. 현재 적층형 태양전지의 전력변환효율 최고 수준은 29.5%로 머지않아 태양전지 이론 최대 효율인 33%를 돌파할 것으로 전망된다. 하지만 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해 앞서 언급했던 B 양이온 자리의 납 문제를 해결해야만 한다. 납은 중금속으로 인체에 매우 해롭기 때문이다. 납을 사용하지 않는 비납 연구도 진행되고 있지만 아직까지는 낮은 전력변환효율을 보이고 있어 많은 연구가 필요할 것으로 보인다. 다른 해결책으로 페로브스카이트 구조에서 납을 격리시켜 정제하여 페로브스카이트 태양전지 제작에 재사용하는 기술이 제시되고 있다. 이와 같이 페로브스카이트 태양전지는 다방면으로 활발한 연구가 진행되고 있어 앞서 언급했던 미비한 연구가 진행된다면 가까운 장래에 상용화가 이루어질 것으로 전망된다. 


참고문헌 


1) https://blog.kepco.co.kr/898

2) https://gonggam.korea.kr/newsView.do?newsId=01JEZiQrsDGJM000

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