이 같은 연구 결과는 광전자공학 최고 권위 저널 '네이쳐 포토닉스'(Nature Photonics)에 1월 17일 자(현지 시각)로 공개됐다.
울산과기원은 양창덕 UNIST 교수와 김동석·이찬우 KIER 책임연구원 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지용 유기물 신소재를 개발했다고 18일 밝혔다.
페로브스카이트 태양 전지(perovskite solar cell)는 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용하는 것으로, 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 다만 기존의 실리콘 태양전지보다 5배 저렴한데, 효율이 낮은게 문제로 지적되고 있다.
상용화를 위해서는 전지를 큰 크기로 만들어도 고효율을 유지해야 하는데, 이 소재를 써 만든 페로브스카이트 태양전지는 모듈 형태로 확장했을 때도 21.83%의 높은 효율을 기록했다. 또 장기안정성과 내열성 문제도 크게 개선돼 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 상용화 전망이 한층 밝아졌다.
연구진은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층(HTM)용 유기 소재를 새롭게 개발해 이 같은 성과를 올렸다. 정공수송층은 전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나다. 태양광 생성 전하입자(정공)를 전극으로 전달하는 중요한 역할을 한다. 이 정공 전달 성능을 끌어올리기 위해 넣는 첨가제(도핑) 때문에 기존 소재는 수분과 열에 취약하다는 문제가 있었다.
개발한 정공수송층 소재는 고온도 잘 견디고 수분에도 강하다. 초고효율 태양전지에 쓰이던 spiro-OMeTAD(스파이로-오엠이티에이디) 소재와 비슷하지만 분자 구조 말단에 나프탈렌 구조가 붙어있는 차이점이 있다.
개발한 정공수송층 소재를 쓴 페로브스카이트 전지는 60도 이상의 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험과 2000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서도 기존 소재 대비 월등하게 향상된 성능을 보였다.
또 전지 크기를 25㎠ 확장해 모듈 형태로 제작했을 때도 21.83%의 고효율을 달성하였는데 이는 보고된 모듈의 광전변환효율 중 세계 최고 수준이다.
제1 저자인 정민규 UNIST 에너지화학공학과 박사는 "페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 안정성 문제를 나프탈렌 구조 첨가(도입)라는 소재 설계 전략을 통해 해결했다"고 설명했다.
양창덕 교수는 "대체 정공수송층 소재를 개발하려는 시도가 많았음에도 불구하고, 최고 수준의 정공 전달 성능을 유지하는 동시에 소재의 안정성까지 확보한 연구는 거의 없었다"며 "이번 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지용 유기 소재 개발에 있어서 새로운 전략을 제시하는 연구"라고 소개했다.
이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술연구원, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다.
KPI뉴스 / 박동욱 기자 pku24@kpinews.kr
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