연구진이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지의 구조 및 안정성 측정 결과.(에너지기술연구원 제공)/뉴스1

우리 연구진이 세계 최고 수준의 반투명 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다.

한국에너지기술연구원 태양광연구단은 에너지 AI(인공지능)·계산과학실과의 협업을 통해 건물 창문이나 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선했다고 21일 밝혔다.연구단에 따르면 이번에 개발한 태양전지는 21.68%의 효율로 반투명 태양전지 분야 세계 최고를 달성했고, 240시간 이상 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상 효율을 유지해 뛰어난 안정성까지 보였다.

반투명 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해선 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛을 통과시키는 투명전극으로 바꿔야 한다.

이 과정 중 고에너지 입자가 발생해 정공수송층(태양전지 소자에서 빛을 받아 페로브스카이트층에서 생성되는 전자와 정공 중 '정공'을 전달하는 역할을 하는 층) 성능이 저하되기 때문에 이를 막는 게 연구의 핵심이다.

이에 연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작시 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다.연구진은 이를 통해 '정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속 산화물층으로 확산하고, 결국 특성을 저하하는 전자 구조로 변화한다'는 걸 규명했다.

한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 박사

또 이들은 정공수송층의 산화 시간을 최적함으로써 관련 문제를 해결했다.

연구진은 '산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬 산화물(LixOy)로 변환되면 리튬이온의 확산을 차단해 소자의 안정성을 높인다'는 것을 확인했다고 설명했다.

이는 그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬 산화물이 태양전지의 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혀낸 것이다.

아울러 연구진은 이번에 개발한 태양전지를 탠덤 태양전지 상부 셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 양면 수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했다.

연구진이 주성엔지니어링, 독일 율리히 연구소와 협력해 만든 양면 수광형 탠덤 태양전지는 후면에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형 31.5%, 2단자형 26.4%의 높은 기대 효율을 달성했다.

안세진 태양광연구단 박사는 "이번 연구로 반투명 페로브스카이트 태양전지의 독특한 유기물 소재, 금속산화물 계면 열화 현상을 최초 규명했다"며 "문제를 손쉽게 해결할 방안을 제시했단 점에서 향후 개발 기술의 활용성이 크게 확대될 것으로 기대한다"고 말했다.
이번 연구 성과는 에너지·재료 분야 세계적 권위지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 표지논문으로도 실렸다.


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