페로브스카이트 태양전지 '1000시간 이상' vs. '수천번 접어도 정상'

GIST 김호범 교수팀, 정공수송층 신물질 개발
1000시간 이상 사용해도 초기 효율 89% 유지
한양대 한태희·성균관대 전일 교수팀 공동개발
수천번을 접고 휘어도 안정성이 5배 이상 향상

[파이낸셜뉴스] 국내외 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 소재 개발이 한창이다. 낮은 제작 단가, 용이한 생산 공정, 유연화 가능 등의 장점을 지녀 실리콘 태양전지를 이을 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다.

우선 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 김호범 교수팀이 해외 연구진과 공동으로 페로브스카이트 태양전지 제작에 필수적으로 사용되는 정공수송층 신물질을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구진은 이 신물질을 이용해 고효율이면서 수명이 긴 페로브스카이트 태양전지를 만들었다.

또한, 한양대 한태희 교수팀과 성균관대 전일 교수팀이 수천번을 접고 휘어도 스스로 성능을 복구하는 새로운 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 폴리머가 첨가된 페로브스카이트 태양전지는 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다.

GIST 김호범 교수팀이 개발한 새로운 정공수송층 물질로 페로브스카이트 태양전지를 대면적인 6.5×7㎠ 크기로 만들어도 광전효율이 21.35%에 달했다. GIST 제공

■1000시간 이상 사용해도 끄떡없다
김호범 교수팀은 스위스 로잔 연방공대 나지루딘·다이슨 교수팀, 이탈리아 콘실리오 국립연구소 포지 박사팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 정공수송용 신규 소재 'BSA50'를 개발했다.

이 소재는 페로브스카이트층 속 빛 흡수에 의해 형성된 정공 추출에 효율적이며, 페로브스카이트에 존재하는 결함을 제거할 수 있다.

새 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 22.65%에 달해 기존 '스파이로 오미타드' 정공수송층으로 만든 것과 거의 비슷한 97% 수준이다. 하지만 안정성 면에서는 태양빛 아래 1000시간 동안의 작동 후에도 초기 효율 대비 89% 이상 유지했다. 이는 기존 소재를 적용한 소자가 유지하는 효율인 82%보다 우수한 성능과 안정성을 지님을 보여준다.

또한 대면적인 6.5×7㎠ 크기의 페로브스카이트 태양광 모듈을 제작해 실험한 결과, 기존 소재를 사용하지 않은 모듈 중 세계 최고 효율인 21.35%를 달성했다.

김호범 교수는 "기존 소자의 효율은 유지하면서 안정성은 크게 향상시킬 수 있는 정공수송층 신물질을 개발해 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

한양대 한태희·성균관대 전일 교수팀이 공동개발한 페로브스카이트 태양전지를 곡률반경이 1㎜ 이상 휘어도 정상적으로 작동했다. 한양대 한태희 교수 제공

■수천번을 접고 휘어도 끄떡없다
한태희·전일 교수팀은 페로브스카이트에 고분자 물질을 혼합해 잘 휘어지면서도 성능을 유지하는 '자가치유형 태양전지'를 개발했다.

연구진은 페로브스카이트 광활성층의 유연성을 높이고, 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체를 합성했다. 또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합 세기를 제어하도록 설계했다.

그 결과, 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상됐다. 또한 정상상태의 빛을 전기로 전환되는 광전효율이 22.61%에 달했으며, 휘어졌을때의 광전효율은 23.25%를 유지했다.

한태희 교수는 "차세대 전자소자의 형태로 기대되는 인체 친화적 유연성과 신축성을 갖춘 휴대용, 입을 수 있는 전자소자의 태양 빛을 통한 손쉬운 에너지 수급을 가능하게 한다"고 말했다. 또한 "태양전지의 기계적 유연성을 크게 증가시키고 반복된 휘어짐에도 셀프힐링 기능으로 성능을 회복하게 함으로써 실제로 휴대용 전자기기에 사용 가능한 형태의 고성능, 고안정성 태양전지의 개발이라는 측면에서 향후 발전 가능성이 크다"고 설명했다.

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