고효율·안정성 한계 극복…차세대 페로브스카이트 태양전지 개발

정공 전달 계단구조 설계 원리. 연구재단 제공

한국연구재단은 한국과학기술원 이정용 교수 연구팀이 고려대 공동연구진과 함께 유기 고분자의 에너지 준위 설계를 통해 페로브스카이트/유기 하이브리드 태양전지의 전자구조와 전하 전달 경로를 제어하고, 봉지재 없이도 고효율·고안정성을 구현하는 태양전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

봉지재는 태양전지를 외부 수분과 산소로부터 보호하는 밀봉 보호층을 말하며 안정성은 높이지만 제조 비용과 무게를 증가시키는 요인이 된다.

페로브스카이트 태양전지는 광전 변환 효율이 높고 가벼워 차세대 전지로 꼽히지만, 수분과 열에 취약해 장시간 안정적인 작동이 어려워 문제 해결을 위해 봉지재를 사용해야 하는 한계가 있다.

연구팀은 기존 하이브리드 구조에서 유기 고분자를 사용할 경우 전하 이동이 원활하기 못해 정공이 축적되고, 실제 소자 작동 전압에서 'S자형 전류-전압 왜곡'이 발생한다는 점에 주목했다.

3차원 다중물리 모사와 초고속 분광 분석으로 성능 저하의 핵심 원인임을 규명하고, 이를 해결하기 위해 깊은 에너지 준위를 갖는 'PM1' 유기 고분자를 도입했다.

PM1은 전하가 특정 계면에 쌓이지 않고 단계적으로 이동하도록 에너지 흐름을 정렬해 S자형 왜곡을 제거했으며, 최고 효율 27.18%와 세계 최고 수준의 공인 효율 26.71%를 달성했다.

PM1 기반 층은 근적외선 흡수와 전하 이동을 돕고, 외부 수분 침투를 차단하는 보호층 역할도 수행해, 봉지재 없이 85도·85% 상대습도 조건에서 3천시간 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지했다.

연구책임자인 이정용 교수는 "이번 성과는 페로브스카이트 태양전지의 효율-안정성 간의 상충 관계를 새로운 전자구조 설계로 극복한 것으로 차세대 태양전지 상용화에 중요한 의미가 있다"고 말했다.

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대전CBS 인상준 기자 sky0705in@cbs.co.kr

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