국내 연구팀이 높은 효율과 열안정성을 지닌 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발해 전지의 열안정성을 높이고 1㎠ 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 네이처 에너지에 9일 자 온라인판으로 게재됐다. 페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과, 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한 열안정성이 동시에 높아야 하지만 지금까지 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에 만족시키는 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지 단면은 세 개의 층으로 이뤄져있다. 맨 위엔 물질의 정공을 이동시키는 정공 수송 층이, 가운데엔 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층이, 아래엔 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다.

태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물 층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이 때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을 운반하는 층이 정공 수송 층이다.

연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발했다. ‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지레벨을 지녔다.
이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다.

개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로 이번 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.

또 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다.
신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보이고 있다. 이번 연구 결과는 같은 면적 1㎠에서 지난해 기록한 19.7%의 효율을 약 1년여 만에 갱신한 성과다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com