- 에너지연·UNIST 연구진, 불소 첨가로 페르브스카이트 전지 수분 취약성 해결

- 논문으로 보고된 최고 효율 기록·내구성 입증... Science 논문 게재

■ 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지* 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결한 물질이 개발됐다. 이 물질을 쓴 전지는 이제껏 논문으로 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 효율(24.82%)을 기록했다. 수분 안정성과 효율을 동시에 잡은 획기적인 이번 연구 결과는 세계적 과학저널인 Science지에 9월 25일자로 온라인 공개됐다. 이번 연구로 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 크게 앞당겨 질 전망이다.

* 페로브스카이트 태양전지: 두 개의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 ABO3 구조를 지니는 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 활용하여 태양광으로부터 전류를 생산하는 태양전지의 한 종류이다.

□ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) UNIST(총장 이용훈)과 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기층 물질’을 개발했다. 유기층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층이다. 공동연구진은 기존 유기층 물질에 불소를 첨가(치환)하는 간단한 방식으로 새로운 유기층 물질을 개발했다.

* 광활성층: 태양광전지에서 태양광을 받아 전자와 정공을 생성하는 물질. 이 전자와 정공은 각각 전자수송층과 정공수송층을 거쳐 전극으로 전달된다.   

■ 개발된 유기층 물질은 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해져 광활성 층이 수분에 노출되지 않는다. 광활성층인 페로브스카이트가 수분에 노출되면 전지 성능이 시간이 갈 수록이 떨어지는 문제가 있다. 기존에 성능(정공 수송능력)이 좋은 유기층 물질(스파이로, Spiro-OMeTAD)은 수분을 흡수 하는데, 이를 해결한 것이다.

□ 연구진은 개발된 물질을 태양전지 유기층으로 써 24.82% (공인인증 결과 24.64%)의 고효율 페로브스카이트를 태양전지를 얻었다. 또 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지했다. 반면 기존(스파이로) 물질을 유기층으로 사용하였을 경우 500시간 후 40%이상의 효율이 감소했다.

□ 특히 공인 인증된 전지의 경우 1.18V의 높은 개방 전압을 얻었다. 이는 페로브스카이트 전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치다. 개방 전압이 높을수록 전력(전력=전압x전류) 생산량이 많아지고 태양전지의 효율이 높아진다.

* 개방전압: 이론전압에서 전자정공 재결합 등에서 의해서 손실되는 전압을 뺀 값  

■ 전지제조를 담당한 한국에너지기술연구원 김동석 박사는 “현재까지 보고된 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압손실(페로브스카이트 태양전지기준)로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다”며 “또 전지를 대면적(1cm2)으로 제작해도 효율(22.31%)의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다”고 설명했다.

□ UNIST 에너지화학공학과 곽상규 교수팀은 불소가 첨가된 스파이로 물질이 우수한 성능을 보이는 이유를 이론적으로 분석했다. 곽상규 교수는 “분자 시뮬레이션 결과 ‘불소가 치환된 스파이로’는 기존 스파이로보다 정공 수송에 더 유리한 흡착 구조를 가질 뿐만 아니라, 불소가 치환된 스파이로 분자간 정공 수송 효율도 증가했다”고 설명했다.

□ 이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 “수분을 통과시키는 스파이로를 다른 물질로 대체하려는 시도가 많았지만, 이보다 정공을 나르는 성능이 뛰어난 물질을 찾기 어려웠었다”며 “그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 간단한 치환 방식으로 동시에 해결한 매우 획기적인 연구”라고 연구 의의를 설명했다.