최고 효율 페로브스카이트 태양전지 모듈 개발

김민수 기자 입력 2022. 1. 18. 01:00
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국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지를 25㎠ 크기의 모듈로 제작한 상태에서 세계 최고 수준의 광전 효율을 달성하는 데 성공했다.

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.

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UNIST-에너지기술연 공동 연구
양창덕 UNIST 양창덕 교수와 김동석 한국에너지기술연구원 책임연구원이 개발한 태양전지에 대해 논의하고 있다. UNIST 제공.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지를 25㎠ 크기의 모듈로 제작한 상태에서 세계 최고 수준의 광전 효율을 달성하는 데 성공했다. 장기간 안정성과 내열성 문제도 개선해 페로브스카이트 태양전지 상용화 기대감을 높였다. 

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. 

페로브스카이트는 부도체와 반도체, 도체 성질과 초전도 현상을 보이는 구조를 갖는 물질이다. 페로브스카이트 소재가 빛을 흡수해 빛을 전자와 정공으로 나누면 전자와 정공이 이동하는 과정에서 전기가 발생한다. 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 값싼 소재를 활용하고 저온에서 용액공정을 통해 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에 쓰이는 유기 소재를 새롭게 개발했다. 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. 

공동연구팀이 개발한 정공수송층 소재는 고온과 수분에 강하다. 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지에 쓰이던 ‘스파이로-OMeTAD’ 소재와 유사하지만 분자 구조 말단에 나프탈렌 구조가 붙어있다. 이를 통해 수분 흡수를 막는 것은 물론 분자끼리 상호작용을 키워 전하 전달 성능을 높였다. 

개발한 정공수송층 소재를 쓴 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 나타냈다. 

양창덕 UNIST 교수는 “최고 수준의 정공 전달 성능과 소재의 안정성까지 확보한 연구”라며 “향후 페로브스카이트 태양전지용 유기 소재 개발에 새로운 전략을 제시했다”고 밝혔다. 

이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 포토닉스’ 17일자(현지시간)에 공개했다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]

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