[한국대학신문 이정환 기자] 성균관대학교(총장 유지범) 신소재공학부 김한기 교수 연구팀은 차세대 초고효율 태양전지로 기대되는 페로브스카이트 태양전지용 투명전극 신소재 N-doped SnO2-x(질소가 도핑된 산화주석)를 세계 최초로 개발했다고 14일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 건물 외장형, 전기자동차, 우주용 태양전지로 응용이 가능한 초고효율 태양전지로 국내외에서 상업화를 위해 치열한 경쟁이 벌어지고 있다. 초고효율 페로브스카이트 태양전지 기술은 MIT 테크놀로지 리뷰가 선정한 2024년도 10대 기술로 뽑히기도 했다.

기존 페로브스카이트 태양전지는 고효율을 구현하기 위해 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD 공정)으로 약 1000도 이하의 고온에서 제작되는 고가의 F-doped SnO2(FTO) 투명전극을 사용해왔다. FTO 투명전극은 고온 안정성은 뛰어나지만 비교적 높은 저항으로 인해 1마이크로미터 이상의 두께를 요구하며 이 때문에 낮은 투과도를 가지는 한계가 있다.

고효율 태양전지를 구현하기 위해서는 높은 투과도를 구현해야 하고 또 FTO는 1000도에 가까운 온도에서 CVD 공정으로 제작되기 때문에 제조 단가가 매우 높지만 아직까지 이를 대체할 물질과 공정을 개발하지 못한 상황이다.

이에 성균관대 김한기 교수 연구팀은 고려대 노준홍 교수 연구팀과 공동으로 고온 공정이 필요한 FTO 전극의 F 도판트 대신 N(질소) 도판트를 이용해 낮은 온도에서 스퍼터 공정으로 저저항/고투과도의 N-doped SnO2(NTO) 투명전극을 세계 최초로 개발했다. NTO 전극은 기존 FTO 전극에 비해 저항이 낮아 보다 얇은 두께로 전극 역할이 가능하며 상온에서 스퍼터 공정으로 제작이 가능하기 때문에 대면적 초고효율 페로브스카이트 태양전지를 위한 핵심 원천 소재 기술로 주목받고 있다.

김한기 교수 연구팀이 개발한 NTO 투명전극은 얇은 두께로 인해 86%의 높은 투과도와 20Ohm/square 수준의 낮은 면저항으로 기존 FTO보다 우수한 투과도와 면저항을 나타낸다. 또 스퍼터 공정으로 제작되기 때문에 대면적화와 상용화에 유리한 투명전극이라고 연구팀은 소개했다. 기존 FTO 전극의 F 도판트에 비해 N(질소) 도판트는 스퍼터 공정을 통해 쉽게 도핑이 가능하기 때문에 고온의 화학기상증착법이 아닌 저온의 스퍼터 공법으로 양산할 수 있어 경제적으로 유리한 장점 또한 가지고 있다.

이번 연구성과는 차세대 초고효율 태양전지로 알려진 페로브스카이트 태양전지 연구 및 상용화를 위한 핵심 투명전극 기술로, 차세대 건물, 자동차용 반투명 페로브스카이트 태양전지, 초고효율 태양전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대되고 있다. 뿐만 아니라 NTO 전극 기술은 유연 전극으로도 응용할 수 있어 차세대 우주용 초고효율 유연 태양전지를 구현할 수 있는 핵심 기술로도 적용이 가능할 것이라고 연구팀은 설명했다.

성균관대 김한기 교수는 “고가의 FTO 전극 소재를 저가로 제작 가능한 NTO 전극으로 대치해 제작 단가를 획기적으로 줄일 수 있는 기술”이라며 “NTO 투명전극 기술은 페로브스카이트 태양전지뿐 아니라 무기 디스플레이, 마이크로 LED, OLED, 스마트 윈도우, 터치패널, 바이오센서 및 투명 전자 소자 등 광범위한 분야에서 상용화의 발판을 제공할 수 있을 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구로 개발된 NTO 투명전극 기술은 김한기 교수 실험실 스타트업 회사인 (주)코코넛머터리얼즈를 통해 연구용 TEG(test element group) 제품 양산을 준비하고 있으며 페로브스카이트 태양전지와 무기 디스플레이를 연구하는 대학, 연구소, 기업을 대상으로 공급될 전망이다.

연구팀의 이번 연구결과는 과학기술정보통신부 탄소중립기술개발 사업과 경기도지역협력연구센터(GRRC)의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 〈어드밴스드 에너지 머티리얼즈, Advanced Energy Materials〉( IF: 29.698)에 2월 6일 게재됐다.