지스트, 효율 유지·안정성 높인 태양전지 정공수송층 신소재 개발

기사내용 요약
신소재공학부 김호범 교수 등 국제 연구팀 'BSA50' 개발
화학 분야 국제학술지 '앙게반테 케미' 게재

[광주=뉴시스] 페로브스카이트 태양전지 정공수송층용 신소재(BSA)와 이를 적용한 페로브스카이트 태양광 모듈

[광주=뉴시스] 배상현 기자 = 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 제작에 필수적으로 사용되는 정공수송층 신물질이 지스트(광주과학기술원) 연구진에 의해 개발됐다.

지스트는 신소재공학부 김호범 교수가 스위스 로잔 연방공대 나지루딘 교수팀, 다이슨 교수팀, 이탈리아 콘실리오 국립연구소 포지 박사팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 정공수송용 신규 소재 'BSA50'를 개발했다고 1일 밝혔다.

정공수송층은 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층에 생성된 전하(양전하)를 효과적으로 수송해 추출하는 역할을 하며, 고효율·고안정성 태양전지 구현을 위해서 필수적으로 포함되어야 하는 구성 요소다.

페로브스카이트 태양전지의 효율 및 수명 향상을 위한 많은 연구가 진행되어 왔으나 정공수송층 개발 연구는 주로 스파이로 오미타드(Spiro-OMeTAD)라고 불리는 소재에 크게 의존하고 있다.

스파이로 오미타드는 낮은 전기전도도 때문에 태양전지의 고효율 달성을 위해서는 반드시 불순물을 섞는 도핑 공정이 필요한데, 이는 소자의 수명을 단축시키는 요인이 된다.

페로브스카이트 태양전지의 정체된 효율을 신장시키고 고질적 문제인 짧은 수명을 개선하기 위해서는 기존 소재를 대체할 수 있는 새로운 정공수송층 물질의 개발이 시급하다.

[광주=뉴시스] 김호범 지스트 교수, 나지루딘 스위스 로잔 연방공대 교수

연구진이 새로 개발한 BSA50 정공수송층 소재는 페로브스카이트 층 내 광(光) 흡수에 의해 형성된 정공(hole) 추출에 효율적이며, BSA 분자 내 아릴아민의 산소 원자가 페로브스카이트에 존재하는 결함을 제거할 수 있다.

그 결과 새로운 정공수송층 소재인 BSA50을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 기존 스파이로 오미타드 정공수송층을 사용한 소자의 광전변환효율과 거의 비슷(97% 수준)한 22.65%의 효율을 가지며, 안정성 면에서는 태양광 아래 1000시간 동안의 작동 후에도 초기 효율 대비 89% 이상 유지됨을 보여주었다.

또 대면적 페로브스카이트 태양광 모듈(6.5×7㎠)을 제작해 실험한 결과, 기존 소재(Spiro-OMeTAD)를 사용하지 않은 모듈 중 세계 최고 효율인 21.35%를 달성했다.

김호범 교수는 “기존 소자의 효율은 유지하면서 안정성은 크게 향상시킬 수 있는 정공수송층 신물질을 개발함으로써 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 성과는 화학 분야 권위지인 '앙게반테 케미'에 지난 10월5일 온라인 게재됐다.

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