▲ 개발된 고체 첨가제의 화학구조와 성능(출처: UNIST)

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 수명 증가와 극한환경에서의 내구성을 유지할 수 있는 물질을 개발해 차세대 태양전지의 상용화에 기여할 전망이다.

UNIST는 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수팀이 고려대학교 민한울 교수팀과 액상 tBP 첨가제를 대체하는 고체 첨가제 4CP를 개발하고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 26.2%의 높은 광전변환 효율과 3,000시간의 장기 안정성을 확보했다고 22일 밝혔다.

‘tBP(4-tert-butylpyridine)’는 태양전지 안에 리튬 이온을 고르게 분산시키기 위해 넣는 첨가제로, 전지가 태양광을 전기로 바꾸는 효율을 높인다. 하지만 액체 형태라 고온에서 쉽게 휘발되고, 그 과정에서 리튬이온을 제대로 잡아두지 못해 전지 안에 부산물이나 미세한 구멍(핀홀)이 생기게 되는데 이는 전지 수명을 줄이는 주요 원인이다.

연구진이 개발한 ‘4CP(4-(N-carbazolyl)pyridine)’는 고체 형태로, 액체 첨가제와 달리 휘발성이 없어 이러한 문제를 근본적으로 막을 수 있다. 고온에서 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라 구성층 간 계면을 균질하게 만들어 전하가 잘 이동하도록 돕는다. 전하 이동이 원활해지면서 광전변환효율도 함께 높아진다.

실험에서 4CP를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 26.2%의 광전변환효율(공인 25.8%)을 기록했으며, 특히 장기 구동 측면에서 우수한 성능을 보였다. 기존 tBP 기반 전지의 광전변환효율은 1000시간 내에 초기의 60% 수준으로 떨어졌지만, 4CP 기반 전지는 3000시간 이상 초기 효율의 80%를 유지해 수명이 약 3배 이상 증가했다.

고온·극한 환경에서도 효과가 뚜렷했다. 4CP를 첨가한 전지는 85℃ 400시간 이상 초기 효율의 80%를 유지한 반면, 같은 조건에서 tBP를 사용한 전지는 120시간 만에 출력이 절반 이하로 줄었다. 또 -80℃와 80℃를 오가는 온도 스트레스 테스트를 200회 반복한 뒤에도 초기 효율의 90% 이상을 유지했다.

공동 연구팀은 “공정은 그대로 두고 첨가제만 바꿔도 차세대 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점인 수명 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증한 연구”라며, “극심한 온도 변화에도 성능이 유지된 만큼 우주 등 극한 환경에서도 페로브스카이트 태양전지를 활용할 수 있는 토대를 마련했다”고 밝혔다.

이어 “기존 제조 공정과도 호환되기 때문에 양산 전환 장벽이 낮은 것도 기술의 장점”이라며, “상용화를 위해 대면적 모듈을 만들어 성능을 검증해 나갈 계획”이라고 말했다.