UNIST·에너지연 연구진, 불소로 페로브스카이트 전지 수분 취약성 해결
논문으로 보고된 최고 효율 기록·내구성 입증…Science 논문 게재

개발된 유기층을 적용한 페로브스카이트 태양전지. UNIST 제공

(A) Spiro-OMeTAD 기반 태양전지 및 새로 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF) 기반 태양전지의 성능 비교. (B) 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF)이 적용된 태양전지 소자의 안정성 향상. UNIST 제공

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 사이언스(Science)지에 9월 25일자로 온라인 공개됐다. 이번 연구로 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 크게 앞당겨질 전망이다.

울산과학기술원(UNIST, 이용훈 총장)과 한국에너지기술연구원(김종남 원장) 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공 수송층 물질’을 개발했다고 25일 밝혔다.

정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층이다.

(우측 상단부터) UNIST 곽상규 교수, 양창덕 교수, 한국에너지기술연구원 김동석 박사, 최인우 연구원, UNIST 정민규 연구원, 고은민 연구원. UNIST 제공

공동연구진은 기존 정공 수송층(Spiro-OMeTAD, 스파이로 구조를 갖는 물질)의 수소를 불소로 바꿔(불소 도입) 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했다.

연구팀은 ‘불소 도입’이라는 간단한 방식으로 정공 수송층과 광활성층을 안정화시켰다.

개발된 정공 수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수한 성능은 유지하면서도 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해 수분을 흡수하지 않는다. 기존 정공 수송층이 대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있다.

수분이 정공 수송층 자체의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 정공 수송층이 흡수한 수분에 노출된 광활성층(페로브스카이트)이 분해되는 복합적인 문제가 있었다.

연구진은 개발된 물질을 태양전지 정공 수송층으로 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 정공 수송층으로 사용하였을 경우 500시간 후 40% 이상의 효율이 감소했다.

특히 공인 인증된 전지의 경우 1.18V(볼트)의 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 에너지기술연구원 김동석 박사는 “현재까지 보고된 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압손실(페로브스카이트 태양전지 기준)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.

곽상규 교수는 “분자 시뮬레이션 결과 개발된 물질은 광활성층에 흡착됐을 때 기존 물질보다 정공 수송에 더 유리한 흡착 구조를 갖고, 물질 분자 간 정공 수송 효율도 증가시켰다”고 설명했다.

이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 “효율과 안정성이 높은 유기 정공 수송층 개발 연구는 지난 20년 동안 지속되어 왔지만, 이 두 가지 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다”며 “그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구”라고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 한국에너지기술연구원, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다. (논문명: Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss)

송현수 기자 songh@busan.com

송현수 기자 songh@busan.com