울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연구원 연구진이 모듈 형태로 크기를 키운 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율 기록을 경신했다. 이 같은 연구 결과는 광전자공학 최고 권위 저널인 네이쳐 포토닉스(Nature Photonics)에 1월 17일 자(현지 시각)로 공개됐다.

UNIST 양창덕 교수와 한국에너지기술연구원 김동석·이찬우 책임연구원 공동 연구팀은 페로브스카이트 태양전지용 유기물 신소재를 개발했다고 18일 밝혔다.

상용화를 위해서는 전지를 큰 크기로 만들어도 고효율을 유지해야 하는데, 이 소재를 써 만든 페로브스카이트 태양전지는 모듈 형태로 확장했을 때도 21.83%의 높은 효율을 기록했다. 또 장기안정성과 내열성 문제도 크게 개선돼 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 상용화 전망이 한층 밝아졌다.

연구진은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층(HTM)용 유기 소재를 새롭게 개발해 이 같은 성과를 올렸다. 정공수송층은 전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나다. 태양광 생성 전하입자(정공)를 전극으로 전달하는 중요한 역할을 한다. 이 정공 전달 성능을 끌어올리기 위해 넣는 첨가제(도핑) 때문에 기존 소재는 수분과 열에 취약하다는 문제가 있었다.

개발한 정공수송층 소재는 고온도 잘 견디고 수분에도 강하다. 초고효율 태양전지에 쓰이던 스파이로-오엠이티에이디(spiro-OMeTAD) 소재와 비슷하지만 분자 구조 말단에 나프탈렌 구조가 붙어있는 차이점이 있다. 나프탈렌 구조를 분자 구조에 넣게 되면(도입), 소수성이 강화돼 수분흡수를 잘 막는다. 또 분자끼리의 상호작용이 커져 전하 전달 성능이 더 좋아질 뿐만 아니라 유리전이 온도도 높일 수 있다. 유리전이는 소재 성질이 고무에 가까워지는 변화가 발생하는 현상으로, 이때 최적화돼 있던 분자 배열이 망가져 정공 전달 성능이 떨어지게 된다.

개발한 정공수송층 소재를 쓴 페로브스카이트 전지는 60℃ 이상의 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험과 2,000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서도 기존 소재 대비 월등하게 향상된 성능을 보였다. 또 전지 크기를 25㎠ 확장해 모듈 형태로 제작했을 때도 21.83%의 고효율을 달성했는데 이는 보고된 모듈의 광전변환효율 중 세계 최고 수준이다.

한국에너지기술연구원 김동석 책임연구원은 “페로브스카이트 태양전지를 상용화하기 위해서는 열 안정성 문제를 극복해야만 한다”며 “이번 연구로 60℃ 이상에서도 매우 안전한 정공수송층 소재를 개발해 페로브스카이트 태양전지 상용화의 전기를 마련했다”라고 말했다.

제1 저자인 UNIST 에너지화학공학과 정민규 박사는 “페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 안정성 문제를 나프탈렌 구조 첨가(도입)라는 소재 설계 전략을 통해 해결했다”라고 설명했다.

양창덕 교수는 “대체 정공수송층 소재를 개발하려는 시도가 많았음에도 불구하고, 최고 수준의 정공 전달 성능을 유지하는 동시에 소재의 안정성까지 확보한 연구는 거의 없었다”라며 “이번 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지용 유기 소재 개발에 있어서 새로운 전략을 제시하는 연구”라고 전했다.

한편, 유기물 합성 분야 전문가인 양 교수의 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층을 개발해왔다. 지난 2020년에는 불소를 이용한 새로운 정공수송층을 개발해 최고 권위 과학 저널인 사이언스(Science)에 발표하기도 했다.