UNIST-에너지연, 태양전지 신소재 개발...광전효율 21.83% 세계최고

국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 '페로브스카이트 태양전지'의 열 안정성과 내구성을 높이는 새로운 소재를 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 양창덕 에너지및화학공학부 교수와 한국에너지기술연구원 김동석·이찬우 책임연구원 연구팀은 페로브스카이트 태양전지용 유기물 신소재를 개발하고 이를 모듈로 제작해 세계 최고 수준인 광전효율 21.83%를 달성했다고 17일 밝혔다.

이 같은 연구 결과는 광전자공학 최고 권위 저널인 '네이쳐 포토닉스(Nature Photonics)'에 17일자(현지시간)로 공개됐다.

페로브스카이트는 부도체와 반도체, 도체 성질과 초전도 현상을 보이는 구조를 갖는 물질이다. 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 값싼 소재를 활용하고 저온에서 용액공정을 통해 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

태양광으로 생성되는 전하입자(정공)를 전극으로 전달하는 역할을 하는 정공수송층은 태양전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나다. 정공 전달 성능을 높이기 위해 넣는 첨가제 때문에 기존 소재는 수분과 열에 취약하다는 문제가 있었다.

공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에 쓰이는 유기 소재를 새롭게 개발한 것이다.

공동연구팀이 개발한 정공수송층 소재는 고온과 수분에 강해 수분 흡수를 막는 것은 물론 분자끼리 상호작용을 키워 전하 전달 성능이 향상됐다.

공동연구팀이 개발한 정공수송층 소재로 제작된 페로브스카이트 태양전지는 60도 이상 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험과 2000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서 기존 소재에 비해 월등한 성능 향상을 보였다. 특히 전지 크기를 25㎠의 모듈 형태로 제작했을 때도 21.83%라는 세계 최고 수준의 광전 효율을 기록한 것으로 나타났다.

또 장기 안정성과 내열성 문제도 크게 개선돼 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 상용화 전망이 한층 밝아졌다.

한국에너지기술연구원 김동석 책임연구원은 "페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 위해서는 열 안정성 문제를 극복해야만 한다"며 "이번 연구로 60℃ 이상에서도 매우 안전한 정공수송층 소재를 개발해 페로브스카이트 태양전지 상용화의 전기를 마련했다"라고 말했다.

제1저자인 UNIST 에너지화학공학과 정민규 박사는 "페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 안정성 문제를 나프탈렌 구조 첨가(도입)라는 소재 설계 전략을 통해 해결했다"고 밝혔다.

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 말했다.