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UNIST·KIER 공동연구진, 페로브스카이트 태양전지 내구성·효율 동시에 잡는 기술 개발불소로 페로브스카이트 전지 수분 취약성 해결..Science 논문 게재
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  • 이다예
  • 승인 2020.09.25 03:00
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  ▲ (오른쪽 상단부터 반시계방향) UNIST 곽상규 교수, 양창덕 교수, KIER 김동석 박사, 최인우 연구원, UNIST 정민규 연구원, 고은민 연구원. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 개발된 유기층을 적용한 페로브스카이트 태양전지. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 개발된 물질의 구조. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 개발된 물질을 적용한 태양전지의 성능(성능비교). 울산과학기술원 제공.  
 

차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이던 수분 취약성 문제를 해결한 물질이 개발돼 주목할 만하다.

울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연구원(KIER) 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공수송층 물질’을 개발했다고 24일 밝혔다.

정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층이다. 연구진은 기존 정공수송층(Spiro-OMeTAD, 스파이로 구조를 갖는 물질)의 수소를 불소로 바꿔(불소 도입) 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공수송층 물질을 개발했다.

연구진은 ‘불소 도입’이라는 간단한 방식으로 정공수송층과 광활성층을 안정화시켰다. 개발된 정공수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수한 성능은 유지하면서도 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해 수분을 흡수하지 않는다.
기존 정공수송층이 대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있다. 수분이 정공수송층 자체의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 정공수송층이 흡수한 수분에 노출된 광활성층(페로브스카이트)이 분해되는 복합적인 문제가 있었다.

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

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

전지제조를 담당한 KIER 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(1㎠)으로 제작해도 효율(22.31%)의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다”고 설명했다.
UNIST 에너지화학공학과 곽상규 교수는 개발된 물질이 우수한 성능을 보이는 이유를 이론적으로 분석했다.
이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 “그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구”라고 말했다.

한국연구재단, 과학기술정보통신부, 한국에너지기술연구원, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 결과는 세계적 과학저널인 ‘사이언스(Science)’지 9월 25일자로 온라인 공개됐다.


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