'페로브스카이트 태양전지' 열 안정성·내구성 높이는 소재 개발

양창덕 UNIST 교수가 정공수송층 유기물 소재를 적용해 내열성과 장기 안정성을 높인 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. UNIST 제공

국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 '페로브스카이트 태양전지'의 열 안정성과 내구성을 높이는 새로운 소재를 개발했다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화 걸림돌을 해결했다는 점에서 주목받고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 양창덕 교수 연구팀과 김동석·이찬우 한국에너지기술연구원 박사 연구팀은 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 '정공수송층(HTM)용 유기 소재'를 개발했다고 17일 밝혔다.

정공수송층은 전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나로, 태양광 생성 전하입자(정공)를 전극으로 전달하는 데 중요한 역할을 한다.

그동안 정공의 전달 성능을 높이기 위해 첨가제를 넣는데, 기존 소재는 수분과 열에 취약해 장기 안정성과 내열성 크게 떨어지는 한계가 있다.

연구팀은 초고효율 태양전지의 정공수송층에 쓰는 '스파이로-오엠이티에이디' 소재에 나프탈렌 구조를 도입한 '스파이로-나프' 소재를 개발했다. 이 소재는 수분 흡수를 막고 전하 전달 성능을 높여 정공수송층 효율과 장기 안정성, 열 안정성 향상에 기여한다.

연구팀은 이 소재를 페로브스카이트 태양전지에 적용한 결과, 기존에 비해 높은 24.43%의 효율을 보였고, 400시간 60℃ 이상의 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험에서 초기 성능의 78.6% 이상을 유지했다.

아울러, 2000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서 초기 성능의 89.4% 이상을 보여 기존 소재 대비 월등히 향상된 성능을 확인했다.

상용화 가능성을 확인하기 제작한 대면적(25㎡) 모듈의 경우 21.83%의 고효율을 달성했다. 이는 지금까지 보고된 모듈의 광전변환 효율 중 세계 최고 수준이라고 연구팀은 설명했다.

제1저자인 정민규 UNIST 박사는 "페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 안정성 문제를 나프탈렌 구조 첨가라는 소재 설계 전략으로 해결했다"며 "60도 이상에서 매우 안전한 정공수송층 소재를 개발해 페로브스카이트 태양전지 상용화의 전기를 마련하게 됐다"고 말했다.

이 연구결과는 광전자공학 분야 국제 학술지 '네이처 포토닉스(17일자)'에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr