▲ 서장원 한국화학연구원 박사

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발해 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에 만족시키는데 성공했다. 

한국화학연구원은 서장원 에너지소재연구센터 박사 연구팀이 새로운 소재 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지의 열안정성을 높이고 1cm² 소자 세계 최고 효율 20.9%을 기록했다고 10일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 상업화 되기에는 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

페로브스카이트 태양전지 단면은 총 세 개의 층으로 이루어져있다. 맨 위에는 물질의 정공을 이동시키는 정공 수송 층이, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층이, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다.

연구팀은 정공을 운반하는 층인 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발했다. ‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지레벨을 지녔다.

이러한 특성으로 태양전지의 효율을 측정하는 주요한 기준인 개방전압을 높이는 데 도움을 주었다. 해당 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위소자 면적(0.1cm²)보다 10배 큰 1cm² 소자에서도 높은 효율을 보였다.

또한, 기존 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD) 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다. 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보이고 있다.

본 결과는 같은 면적 1cm²에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 약 1년여 만에 갱신한 성과다.

서장원 화학연 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보하여 상용화 가능성을 높였다는 데 큰 의미가 있다. 앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다.”고 향후 계획을 밝혔다.

공동교신저자로 참여한 화학연 이재민 박사는 “이번에 새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로 이루어져 있다. 앞으로, 우리나라가 강점을 가지고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지 분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 화학연 주요사업 및 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 학문후속세대 대통령포스닥사업의 지원으로 수행됐다.

또한 본 성과는 네이처 에너지 (Nature Energy, IF=46.859) 7월9일자 온라인판에 게재됐다.