수명을 3배 이상 늘린 고효율 페로브스카이트 태양전지가 울산과학기술원과 고려대 연구진에 의해 개발됐다. 전지의 효율을 높이지만, 수명은 단축하는 첨가제를 대체할 수 있는 물질을 개발한 덕분이다.
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| ▲ 왼쪽부터 양상진 UNIST 연구원, 양창덕 UNIST 교수, 민한울 고려대 교수, 김기훈 고려대 연구원 [울산과학기술원 제공] |
UNIST(울산과기대)는 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수팀과 고려대 민한울 교수팀이 액상 'tBP' 첨가제를 대체하는 고체 첨가제 4CP를 개발하고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 26.2%의 높은 광전변환 효율과 3000시간의 장기 안정성을 확보했다고 22일 밝혔다.
'tBP'(4-tert-butylpyridine)는 태양전지 안에 리튬 이온을 고르게 분산시키기 위해 넣는 첨가제로, 전지가 태양광을 전기로 바꾸는 효율을 높인다. 하지만 액체 형태라 고온에서 쉽게 휘발되고, 그 과정에서 리튬이온을 제대로 잡아두지 못해 전지 안에 부산물이나 미세한 구멍(핀홀)이 생기게 된다. 이는 전지 수명을 줄이는 주요 원인이다.
연구진이 개발한 4CP(4-(N-carbazolyl)pyridine)는 고체 형태로, 액체 첨가제와 달리 휘발성이 없어 이러한 문제를 근본적으로 막을 수 있다. 고온에서 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라 구성층 간 계면을 균질하게 만들어 전하가 잘 이동하도록 돕는다. 전하 이동이 원활해지면서 광전변환효율도 함께 높아진다.
실험에서 4CP를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 26.2%의 광전변환효율(공인 25.8%)을 기록했으며, 특히 장기 구동 측면에서 우수한 성능을 보였다. 기존 tBP 기반 전지의 광전변환효율은 1000시간 내에 초기의 60% 수준으로 떨어졌지만, 4CP 기반 전지는 3000시간 이상 초기 효율의 80%를 유지한 것이다. 수명이 3배 이상 늘어난 셈이다.
고온·극한 환경에서도 효과가 뚜렷했다. 4CP를 첨가한 전지는 85도 400시간 이상 초기 효율의 80%를 유지했다. 반면 같은 조건에서 tBP를 사용한 전지는 120시간 만에 출력이 절반 이하로 줄었다. 또 영하 80도와 영상 80도를 오가는 온도 스트레스 테스트를 200회 반복한 뒤에도 초기 효율의 90% 이상을 유지했다
공동 연구팀은 "공정은 그대로 두고 첨가제만 바꿔도 차세대 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점인 수명 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증한 연구"라며 "극심한 온도 변화에도 성능이 유지된 만큼 우주 등 극한 환경에서도 페로브스카이트 태양전지를 활용할 수 있는 토대를 마련했다"고 설명했다.
이번 연구는 UNIST 양상진 연구원, 고려대학교 김기훈 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처 자매지 '네이처 에너지'(Nature Energy)에 이번 달 10일 게재됐다.
KPI뉴스 / 최재호 기자 choijh1992@kpinews.kr
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