spiro-OMeTAD와 DM의 열적 특성(한국화학연구원 제공) © News1

한국화학연구원은 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발, 1㎠ 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록했다고 10일 밝혔다.페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

태양전지가 상업화 하려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한 열 안정성이 동시에 높아야 한다.

하지만 현재까지 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열 안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다.

이에 화학연 연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열 안정성도 동시에 만족시키는 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지 단면은 총 3개의 층으로 이뤄져있다. 맨 위에는 물질의 정공(반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자)을 이동시키는 정공 수송 층, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다.

태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물 층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다.

이 때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을 운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다.

연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학 소재를 개발했다.

연구팀이 ‘DM’으로 명명된 새로운 화학 소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고, 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지레벨(물질의 전기적 특성에 관한 고유 값)을 지녔다.

이러한 특성은 태양전지의 개방 전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다.

개방 전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로, 이 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.

연구팀은 또 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 갖고 있는 취약한 열 안정성을 극복했다. 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열 안정성을 보이고 있다.

이러한 결과는 같은 면적 1㎠에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 1년여 만에 갱신한 성과다.

서장원 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열 안정성을 동시에 확보해 상용화 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다”며 “향후 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다”고 밝혔다.

공동교신저자로 참여한 화학연 이재민 박사는 “새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로 이뤄져 있다”며 “향후 우리나라가 강점을 갖고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지 분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대한다”고 말했다.

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

연구 성과는 네이처 에너지 (Nature Energy, IF=46.859) 지난 9일자(현지시간) 온라인 판에 게재됐다.


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