페로브스카이트 태양전지 내구성·효율 모두 잡은 물질 개발

UNIST·한국에너지기술연구원, 불소로 태양전지 수분 취약성 해결

차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결해 내구성을 높이면서 전지 효율까지 향상시킨 물질이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 양창덕·곽상규 교수팀이 한국에너지기술연구원 김동석 박사팀과 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것을 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공수송층 물질'(Spiro-mF·Spiro-oF)을 개발했다고 25일 밝혔다.

공동연구팀에 따르면 페로브스카이트 태양전지는 20%가 넘는 높은 에너지 전환 효율과 저렴한 소재 원가로 차세대 태양전지로 주목받고 있으나, 수분에 취약하다는 점이 상용화하는 데 큰 문제점으로 지적돼 왔다.

연구팀은 기존 태양전지 구성층 중 정공수송층(Spiro-OMeTAD·스파이로 구조 물질)의 수소를 불소로 바꾸는 간단한 방식으로 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 물질을 개발했다.

정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 한다.

스파이로 구조란 유기물질 구조 중 하나다.

2개 이상 환형(ring) 분자가 중앙의 공통 원자와 결합한 형태다.

연구팀이 개발한 물질도 구조상으로는 스파이로 구조다.

연구팀이 개발한 물질은 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질이 강해 대기 중 수분을 흡수하지 않아 전지 효율을 오래 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

연구팀이 개발한 물질을 태양전지 정공수송층으로 쓴 결과 24.82%의 높은 효율도 얻었다.

이는 이제껏 논문으로 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준 효율이다.

미국 태양전지 공인 인증 기관인 뉴포트(Newport) 사에서 24.64%의 효율로 공인 인증됐다.

특히 공인 인증된 전지는 1.18V의 높은 개방 전압(이론 전압에서 전자·정공 재결합 등에 의해 손실되는 전압을 뺀 값)을 보여 페로브스카이트 태양전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치라고 연구팀은 설명했다.

개방 전압이 높을수록 전력 생산량은 많아지고 태양전지 효율이 높아진다.

또 안정성 검사에서 연구팀이 개발한 물질 기반 소자는 500시간 동안 고습도 환경에서도 초기 성능의 87% 이상을 유지했지만, 기존 소자는 40% 가까이 성능이 감소했다.

전지 제조를 담당한 김동석 박사는 “현재까지 보고된 수치 중 가장 낮은 값인 0.3V의 전압 손실로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다”며 “또 전지를 대면적으로 제작해도 효율의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다”고 말했다.

물질을 개발한 양창덕 교수는 “효율과 안정성이 높은 유기 정공수송층 개발 연구는 20년 동안 이어져 왔지만 두 가지 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다”며 “양립하기 어려웠던 두 가지 특성을 불소 원자 도입으로 동시에 해결했다”고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적 과학 저널인 ‘사이언스'(Science)에 25일 자로 온라인 공개됐다.

연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 한국에너지기술연구원, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

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