탄소전극 기반 유연 페로브스카이트 태양전지의 기술개발 동향

[사무국]

화학·화공·섬유 분과 변선호

  페로브스카이트 태양전지(PSC)는 광 흡수가 GaAs 다음으로 높은 저비용 재료(PVK)의 저온 용액 가공 덕에 단접합에서 실리콘 태양 전지 급(파워변환효율, PCE 26%와 내구성)으로 급성장하였다. 곡면의 유연 기판에선 높은 굽힘 특성을 요하는 수요가 놀랍다. 반투명 BIPV/ VIPV는 물론, PSC는 실내 저출력 광원에서 기전력(IPV)이 탁월하여, 약한 전기가 실내 소자 부속품 내 자동 충전되는 리모콘, 마우스, 키보드, 센서, IoT 소자에서 일회용 배터리와 전선을 대체한다. IoT 센서만 올해까지 USD 75B, 2030년까지 800GW의 시장 예측이 보고되었다. 

  신시장의 과제는 첫째, PSC 생산원가의 70%를 점하는 고비용 금속 대극(상부 전극) Au(Ag)의 대체이다. 연속 광조사 시 Au와 PVK가 반응/열화되고, 고온 고진공 증착 공정이 추가 됨에 기인한다. 둘째, 굽힘성 한계의 고비용 TCO(투명전도성) 전극(광 입사 하부 전극)의 대체이고, 셋째, 안정성이 불안한 고비용 유기고분자 정공 수송층 (HTL)의  혁신이다. 이 글은 고비용 두 전극을 수분 등 외부 응력에 화학적으로 안정된 유연 소수성 탄소전극으로 대체하는 고생산성 (Roll to Roll 등) 연속 제조 기술 개발 동향을 보고한다. 
 

  PVK는 화학식 ABX3의 이온결정이며, A는 CH3NH3+ (=MA)+ 등 4종의 양이온이다. B는 금속 양이온 Pb2+, Sn2+, X는 할로겐 음이온이다. PSC는 A,B,X 재료에 따라 밴드갭, 안정성 등 핵심 특성을 조정할 수 있는 장점을 갖는다. 고온소결이 필요한 TiO2에서 저온형 광 흡수층 PVK로 개선된 탄소전극 유연 PSC (F-CPSC)는 통상의 평면형 태양전지가 된다. 구조는 광 입사순으로 유연기판/ 투명카본전극/전자수송층(n형)(ETL)/(i형)흡광층/ (p형)정공수송층(HTL)/카본전극(대극)의 n-i-p 형이 되었다. 

  탄소전극은 닥터 블레이딩(스크린 인쇄) 또는 슬롯-다이 코팅으로, 3부류의 탄소 나노재료, 즉 ① 카본페이스트, ② 탄소나노튜브(CNT), 그리고 ③ 그래핀(GR) 중 하나를 사용한 광 입사 측 하부 투명전극 및 상부 대극의 두 종류가 있다.

  카본페이스트는 대극용이고 CB(카본블랙)과 흑연의 복합재로 경화용 수지 및 용매가 필요한데 후자는 하부층을 해치기 쉬워 자가 조제가 선호된다. 흑연/CB의 최적 비율은 최고 PCE 13.53%를 보였다. 6면 층상 결정 흑연은 고온 저항, 전도성이 우수하여 CB의 화학적 안정성을 보완한다. 2023년 카본페이스트 상부 대극을 갖는 R2R 연속생산 셀은 Au 대극 사용 셀과 동등한 PCE 10.8% 및 무캡슐 장기 안정성을 보였다(첫째 과제 대응).

  F-CPSC에서 하부 TCO를 대체할 투명 전극용 CNT는 기계적 특성, 고온 저항, 안정성이 우수하며 재현성이 높고, 2D GR의 동심원 원통 수에 따른 단일벽(SWCNT), 이중벽(DWCNT), 다중벽(MWCNT)이 있다. 방습의 소수성 SWCNT는 균일 분산 난제 해결에, 친수성 박막 MoO3 도핑을 쓰지만, CNT-PI 복합재 막 사용은 접착도 양호하다. DWCNT는 MWCNT(용액 가공)와 SWCNT (광 투과도/ 전기전도도)의 장점 겸비와 도핑에 의한 모폴로지 향상으로 실험실 개별 셀 최고 PCE 17.2%(비 R2R)를 보고하였다. 

<그림 1> 왼쪽: 흔한 n-i-p형 PSC에서 탄소전극으로 대체될 두 전극 (하부의 광 입사 측 TCO 및 상부의 Metal 대극), 오른쪽: Roll to Roll(R2R) 연속생산 라인 실험 공정도 (D.Beynon, Adv. Mater. 35, 2023)

  GR(그래핀)은 F-CPSC의 하부 투명전극에 적합하다. 단원자층은 CNT보다 평활도/전기전도도가 높고 넓은 파장에서 광 투과도가 좋다. PET 막 위 2층의 GR 전극도 광투과도(시트저항 300Ω/sq, 파장 550nm에서)가 87.3% 인데, 근적외선 영역에서도 TCO보다 높다. GR은 화학적/기계적으로 안정되지만, 기판에 옮길 때 재현성이 낮아 상품(고분자/GR 기판)이 2016년 이후 상부 및 하부 전극에 쓰이기도 한다. GR은 본래 전하이동도가 높지만, 실제는 낮고 시트 저항도 높아 화학적 도핑이 필요하다. GR과 기판 사이의 약한 접착력 향상에 고분자 사이막이, 고효율/안정성 개선에 2D/3D 신기술이 개별 셀 최고 PCE 15.6%를 보였다. GR을 하부 전극에, CNT를 상부 대극에 사용한 F-CPSC는 PCE 11.9% 및 안정성도 우수하였으나, 2024년 셀 전 라인의 꿈인 R2R 적용 성공엔 CTO 하부 전극이 사용되었다. 후자의 3년 내 GR로의 대체는 글로벌 게임 체인저가 될 것이다(둘째 과제 대응).