페로브스카이트 태양전지 ‘성능·안정성’ 극복…세계 최고 효율 달성
봉지재 없이 27% 고효율, 3000시간 작동 후 초기 효율 95% 유지
수분과 열에 취약한 페로브스카이트 태양전지 보호를 위해 적용하는 밀봉 보호층 없이 성능과 효율을 높이는 기술이 개발됐다.
차세대 박막 태양전지 상용화의 난제인 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있어 건물 일체형 태양광(BIPV), 이동형 전원, 우주항공용 전원 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 전망이다.
한국연구재단은 이정용 KAIST 전기및전자공학부 교수와 이상민 KAIST 물리학과 교수팀, 곽상규 고려대 교수 연구팀이 공동으로 봉지재 없이 높은 효율과 안정성을 구현하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 19일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 광전 변환 효율이 높고 가벼워 차세대 전지로 각광받고 있다. 하지만 수분과 열에 민감해 고온·고습 환경에서 구조와 성능이 빠르게 저하될 수 있다.
이를 위해 수분 투과율이 매우 낮은 봉지재를 사용하는데, 공정과 비용을 높이고 가볍고 유연한 태양전지 구현에 제약을 준다.
연구팀은 기존 하이브리드 구조에서 유기 고분자를 사용할 경우 전하 이동이 원활하지 못해 정공이 쌓이고, 실제 소자 작동 전압에서 ‘S자형 전류-전압 왜곡’이 발생한다는 점에 주목했다.
이런 현상이 실제 소자 작동 성능 저하의 핵심 원인임을 규명하고, 깊은 에너지 준위를 갖는 ‘PM1 유기 고분자’를 도입해 페로브스카이트와 유기층 사이의 정공 축적을 억제함을 확인했다.
PM1 유기 고분자층은 전하가 특정 계면에 쌓이지 않도록 에너지 흐름을 정렬해 S자형 왜곡을 제거했고, 외부 수분 침투를 차단하는 보호층 역할도 했다.
이를 토대로 페로브스카이트·유기 하이브리드 태양전지의 최고 효율 27.18%, 세계 최고 수준의 공인 효율 26.71%를 달성했다.
아울러 봉지재 없이 85도·85% 상대습도 조건에서 3000시간 작동 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지했다고 연구팀은 설명했다. 약 40년 간 장기 안정성을 확보할 수 있음을 제시한 결과다.
이정용 KAIST 교수는 “페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 간 상층 관계를 새로운 전자구조 설계로 극복한 성과”라며 “향후 하이브리드 페로브스카이트·유기 태양전지 소재 선택과 전자구조 설계 기준으로 활용될 것”이라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 에너지’ 지난 18일에 실렸다.
이준기 기자 bongchu@dt.co.kr
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