페로브스카이트 태양전지 비용·효율·안정성 모두 잡는다

UNIST 포함 공동연구팀, 고성능 자가조립 정공수송층 개발
전지 효율 13% 개선·탁월한 광안정성 나타내

김봉수 UNIST 교수팀( 앞줄 가운데부터 시계방향으로 김봉수 교수, 김동석 교수, 이동민 연구원, 손중건 연구원, 이영완 연구원, 샤히드 아민 연구원)

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필요한 공정비용 절감과 고효율, 안정성을 모두 잡을 수 있는 물질을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 김봉수 화학과 교수팀과 김동석·김진영 탄소중립대학원 교수, 이경구 국립군산대 교수팀이 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 개발했다고 19일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 저렴한 소재와 공정 비용이 장점이다. 전지에 사용하는 자가조립단층(SAM, Self-Assembled Monolayer)은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. SAM 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립하는 분자 특성을 이용해 만들기 때문에 기존 고분자 기반 정공수송층보다 공정 비용이 저렴하다.

자가조립 정공수송층을 적용한 페로브스카이트 태양전지 성능 지표

공동 연구팀은 이 SAM을 구성하는 4PACz 분자보다 정공 수송 성능이 높은 분자 구조를 지닌 MeS-4PACz을 설계 개발했다. 이 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 기존 SAM 적용 태양전지보다 13% 이상 높은 25.16%의 광전 변환 효율을 나타냈다. 태양전지는 광생성 전자(음전하 입자)와 정공이 전극으로 이동하면서 전기에너지를 만드는 장치라서 전자와 정공이 전극으로 잘 이동하면 전지 효율이 높아진다.

태양전지 출력과 장기 안정성을 가늠하는 히스테리시스(hysterisis) 지표값도 기존 대비 월등히 높았다. 광안정성은 500시간 동안 강력한 태양광에 노출하는 실험에서 초기 효율의 93%를 유지했다. 기존 4PACz 적용 태양전지는 500시간 후 효율이 20% 이상 감소했다.

김봉수 교수는 “개발 SAM 물질은 페로브스카이트 태양전지 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하고 안정성과 효율도 높일 수 있어 상용화 가능성을 크게 높여 줄 것”이라고 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com