[1회] 페로브스카이트(Perovskite) 와 텐덤(Tandem) 태양전지

이번 연재에서는 3세대 태양전지인 페로브스카이트에 대해 설명하겠습니다.

 

1. Perovskite 정의 및 연구 진행

• Perovskite란?

     1893년 러시아 우랄 산맥에서 처음 발견된 산화칼슘 티타늄(Calcium Titanium Oxide) 광물이다.

     미국/스위스/스웨덴/독일 등에서 채굴되고 있으며, 지역별로 PSC의 화학적 구성이 다르다. ABX3

     (양이온 A, B와 음이온 X가 1:1:3으로 결합한 격자 구조) 형태의 광물을 페로브스카이트라 통칭하며,

     A/B/X에 어떤 원소를 적용하느냐에 따라 성능이 달라진다.

 

     PSC는 ① 부도체/반도체/도체/초전도 성질을 보이며, ② 얇고 유연한 성질을 가진다. 특수한 물성 

     때문에 태양광, LED, 메모리, 센서 등에 적용하기 위해 연구가 진행되고 있다. 

 

     기존 폴리실리콘 공정에는 1000℃ 이상의 열처리가 필요했지만, PSC는 적정 물질 조성 후 코팅만

     하면 만들 수 있다. 이에, 기존 실리콘 태양전지보다 제조 단가를 20% 이상 낮출 수 있는 것이다.

     단, PSC는 수분에 노출될 경우 결정구조가 변해 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 

 

[ABX3 구조를 가진 화합물은 모두 "페로브스카이트"]

 

• 연구 진행('09~'20년)

     ① 2009년(3.8%) : Miyasaka 교수 연구진은 염료 대신 페로브스카이트 물질을 사용하여 3.8%의

         효율을 얻는 데 성공했다. 그러나 이 소자는 액체 전해질이 페료브스카이트 물질을 녹여버리는

         문제점을 지니고 있었다. 

 

     ② 2012년(9.7%) : 성균관대 박남규 교수 연구팀은 Solid State PSC Solar Cell을 개발해 수분과

         결합 시 PSC가 분해되는 것을 막았다. 이로 인해 사용시간이 늘어났고, 이 공로로 지난 2017년

         노벨상 수상 유력 후보에 오르기도 했다. 

 

     ③ 2019년 7월 : 한국과학기술연구원 김태욱 박사팀과 이상현 전남대 교수팀은 함께 납을 사용하지

         않고 페로브스카이트를 합성하는 방법을 개발했다. 기존에는 나노 구조의 성능 극대화를 위해

         납이 사용되었으나, 연구팀은 고품질/균일성/독성 제거를 위해 희토류 이터븀(Yb)을 사용했다. 

 

     ④ 2019년 8월(25.2%) : 한국화학연구원과 매사추세츠공대 연구팀은 공동연구를 통해 2019년 8월

         25.2%의 세계 최고 광전변환 효율을 얻었다.

 

     ⑤ 대면적 PSC 모듈 전쟁 : 2019년 11월 유니테스트가 14.8% 효율을 인증했고, 2020년 1월 파나소닉

         +NEDO가 대면적 광전효율 16.1%을 달성하며 1위를 쟁탈했다. 대면적 기술은 모듈 제작비용을

         낮추며, 분사형 방식을 사용하는 경우, 곡선에 PSC를 적용할 수 있어 Application이 다양해진다.

 

2. 텐덤 태양전지

• 템덤 태양전지는 기존 실리콘 기반 태양전지에 PSC를 한 겹 더 씌우는 방식이다. 쉽게 생각하면 

      반투명하고 얇은 PSC에서 태양광을 흡수하고, 나머지를 폴리실리콘층에서 흡수하는 것인데,

      이게 가능한 이유는 PSC와 폴리실리콘이 흡수하는 "빛은 파동"이 다르기 때문이다.

 

      이것이 새로운 기술은 아니다. 1970년대부터 이미 텐덤(Multijunction) Cell을 개발했지만, 

      당시에도 8만 USD에 이르는 가격 문제로 상업화가 불가능했다. 현재 Multijunction Cell은

      47.1% 수준이다.

 

     PSC/폴리실리콘 텐덤 연구가 활발한데, PSC가 싸고, 기존 폴리실리콘 모듈/시스템이 기술적으로

     완성되어 있기 때문이다. 전선 회로나 설치비용 등 공통비용을 분배할 수 있게 되어 효율적이다.

     현재 PSC/폴리 텐덤 Cell의 광전효율은 29.1%에 달하며, 상용화 전 단계의 제품에서는 35%까지

     광전효율이 상승한 경우도 있다.

[페로브스카이트+폴리실리콘 텐덤전지]

• Perovskite / Heterojunction Tandem Cell Structure : 하부 Cell(Heterojunction Cell)과 상부 Cell(Perovskite)을 적층하는 융복합 태양전지 구조

[Structure]

    - 기존 실리콘 태양전지 구조 대비 발전효율 및 단가 경쟁력 확보가능

    - Tandem 태양전지의 경우 Perovskite 증착 장비를 기존 PERC과 HJT셀/모듈 

      제조 생산라인에 결합하여 융복합 고효율 생산설비로 전환 가능