사진=김한기교수

성균관대학교(총장 신동렬) 신소재공학부 김한기 교수 연구팀이 차세대 반투명 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 투명 캐소드 제조 기술을 개발했다.

사진=반투명 페로브스카이트 태양전지 구조 및 투명 전극 개략도[그림1]

 반투명 페로브스카이트 태양전지는 효율이 높아 차세대 건물 외장 유리인 건물 일체형 태양광(BIPV:Building Integrated Photovoltaics)이나 자동차 유리에 적용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다. 하지만 투명 전극 캐소드 기술의 한계로 지금까지 실험실 수준의 연구 결과만 보고되었다.

사진=반투명 페로브스카이트 태양전지용 투명..TS 기술과 반투명 페로브스카이트 태양전지[그림2]

이에 김한기 교수 연구팀은 기존 반도체․디스플레이 양산 공정에 사용되고 있는 스퍼터 기술을 응용한 Linear Facing Target Sputtering(LFTS) 기술을 이용하여 플라즈마 데미지 없이 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발하고, 특허 출원(출원번호 10-2019-0144706 투명 산화물 전극을 형성하기 위한 스퍼터링 방법 및 이에 의해 제조된 투명 산화물 전극)을 완료했다.

※ 스퍼터 기술 : 반도체/디스플레이 제작 시 박막(Thin film)을 제작하는 장치

※ 플라즈마 데미지 : 반도체소자나 디스플레이 혹은 태양전지가 플라즈마에 노출되어 망가지는 현상

사진=반투명 페로브스카이트 태양전지가 적용된 건물 예상 모형[그림3]

 기존 스퍼터 기술을 이용한 ITO 전극 기술은 플라즈마 데미지뿐만 아니라 공정 온도를 높여야 하는 문제가 있었으나, 연구팀은 상온에서도 투명 전극 특성을 나타내는 InZnSnO 소재 및 LFTS 기술을 적용하여 고효율 반투명 페로브스카이트를 성공적으로 제작할 수 있는 기술을 개발했다.

※ ITO 전극 기술 : 디스플레이/태양전지를 제작하기 위해선 투명하면서 전기가 통하는 전극이 필요하며 일반적으로 Indium Tin Oxide (ITO) 물질을 사용

※ InZnSnO : Zn(아연)과 Sn(주석)을 동시에 In2O3 산화물 반도체에 도핑시켜 제작한 비정질 투명 전극 물질

김한기 교수는 “본 연구는 향후 반투명 페로브스카이트 태양전지를 생산하는 데 있어서 핵심 기술이 될 것이며, 대면적 반투명 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 핵심 기술을 국내 연구진이 확보한 것에 의의가 있다”고 밝혔다.

본 연구는 한국전력의 사외 과제 지원과 한국전력연구원과의 공동 연구로 이루어졌으며, 연구결과는 국제적 학술지인 Nano Energy에 2021년 1월 온라인 게재되었다.

※ 논문명 : Semi-transparent perovskite solar cells with bidirectional transparent electrodes

※ https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105703