열에 약한 페로브스카이트, 문제점 찾았다

김동석 UNIST 교수팀, 첨가제 비율 최적화로 고열 안정성 메커니즘 구현

[아이뉴스24 정종오 기자] 태양은 ‘빛’과 ‘열’을 내뿜는다. 태양 빛은 태양전지를 통해 전기에너지로 바뀌는데 태양 열은 태양전지를 ‘노화’시킨다. 차세대 태양전지인 페로브스카이트 전지는 열에 더 취약하다. 이러한 페로브스카이트 태양전지의 열 내구성을 대폭 개선한 연구 결과가 나와 상용화 기대감을 높이고 있다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 박종래) 탄소중립대학원 김동석 교수팀은 경상국립대 이태경 교수팀, 스위스 로잔공대 마이클 그라첼 교수팀과 공동 연구로 페로브스카이트 태양전지의 열 내구성을 저해하는 원인을 알아냈다. 높은 효율은 유지하면서도 열 안정성을 높일 수 있는 첨가제 배합을 찾아내 국제학술지인 줄(Joule)에 12일 공개했다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 소재와 공정비용, 기판에 따라 유연한 필름 형태로도 찍어낼 수 있어 차세대 태양전지로 꼽히고 있다. 상용화를 위해서는 열, 습기 등을 견뎌내며 오랫동안 성능을 유지해야 한다.

UNIST 연구팀이 열에 약한 페로브스카이트 태양전지의 문제점을 찾아냈다. 첨가제 함량별 태양전지 정공수송층의 유리전이 온도와 고온 내구성 평가 결과. [사진=UNIST]

그중 열 내구성 개선은 상용화 마지막 관문과도 같았다. 습기 등은 전지를 감싸는 봉지 기술로 차단할 수 있는데 열 내구성은 소재 자체를 개선해야 하는 데다 봉지 공정 과정에서 온도가 100℃까지 치솟기 때문이다.

연구팀은 열 내구성을 떨어트리는 요인을 근본적으로 분석해 전지 효율을 높이기 위해 지나친 양으로 넣어오던 첨가제가 그 원인임을 밝혀냈다. 분석 결과에 따라 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine, tBP) 함량을 20배 이상 줄여 높은 전도성과 효율을 유지하면서도 고온 안정성이 뛰어난 페로브스카이트 태양전지를 만들 수 있었다.

tBP는 원래 페로브스카이트 전지 정공수송층의 전도성을 개선하기 위해 넣는 첨가제이다. 정공수송층은 광활성층에서 생성된 전하입자인 정공을 전극으로 전달하는 물질로 전도성이 좋아야 태양전지 효율이 올라간다.

연구결과를 보면 소량 첨가된 tBP는 또 다른 첨가제인 리튬비스마이드(LiTFSI)와 1대1 복합체를 형성해 탈도핑 현상을 억제하는 방식으로 전도성을 개선했다. 유리전이 온도도 기존 77℃에서 105℃까지 상승했다. 유리전이는 고분자 물질 등이 고체 상태보다 액체 상태에 가까워지는 현상으로 유리전이 온도가 높을수록 열 안정성이 뛰어나다.

이 전지는 세계 최고 수준인 26.18%의 광전변환효율을 기록했으며 25cm² 면적 모듈에서도 23.29% 효율을 달성했다. 85℃ 고온에서 1000시간 동안의 내구성 시험을 통해 뛰어난 안정성을 입증했다.

제1저자인 신윤섭 UNIST 박사는 “이번 연구는 첨가제 간 비율 최적화만을 통해 고효율과 고온 안정성을 잡은 혁신적 연구 성과라는 데 큰 의미가 있다고 전했다.

김동석 교수는 “장기적 내구성, 높은 효율과 더불어 100℃ 이상의 제작 공정을 견딜 수 있는 기술을 개발했다는 점에서 상용화의 마지막 퍼즐 조각을 맞춘 것과 같은 연구”라고 전했다.

이번 연구(논문명: De-doping engineering for efficient and heat-stable perovskite solar cells)는 UNIST의 신윤섭 박사와 송지원 연구원, 경상국립대학교 이동규 석박사 통합과정 대학원생이 제1저자로 참여했다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)