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페로브스카이트 태양전지 수분 취약성 '불소'로 해결...사이언스지 공개
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페로브스카이트 태양전지 수분 취약성 '불소'로 해결...사이언스지 공개
  • 유민정 기자
  • 승인 2020.09.25 17:28
  • 댓글 0
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논문으로 보고된 최고 효율 기록·내구성 입증
UNIST·에너지硏 연구진...Science지 논문 게재
페로브스카이트 태양전지의 상용화 크게 앞당길 전망
개발된 유기층을 적용한 페로브스카이트 태양전지 / UNIST 제공

신재생 에너지에 관심은 점점 높아지고 있고 높은 에너지 전환효율과 저렴한 소재 원가로 차세대 태양전지 연구는 전세계적으로 주목을 받고 있다. 

페로브스카이트 태양전지는 수분에 취약하다는 단점으로 상용화에 있어 큰 문제점으로 지적되고 있었는데 국내 연구진이 이 수분 취약 문제를 해결한 물질을 개발해 화제가 되고 있다. 

울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연겨원 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분의 노출을 막으면서 전지 효율은 높이는 '유기 정공수송층 물질'을 개발했다고 25일 밝혔다. 

이번 연구는 세계적 과학저널 사이언스지에 9월 25일자로 온라인 공개되기도 했다.

사이언스지에 공개된 해당 연구 '효율이 24.8%를 초과하고 전압 손실이 0.3V 인 안정적인 페로브스카이트 태양 전지' /사이언스지 갈무리

정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(전자의 빈 상태를 나타내는 가상의 입자, 양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지의 구성층이다. 

연구팀은 기존 정공수송층(스파이로 구조)의 수소를 불소로 바꿔 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했다고 설명했다. 스파이로는 유기물질의 구조 중 하나로 2개 이상의 환형 분자가 중앙의 공통 원자와 결합한 구조다.

간단하게 '불소 도입'으로 정공 수송층과 광활성층을 안정화 시킨 연구팀은 "개발된 정공 수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수 성능은 유지하면서 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질이 강해 수분을 흡수하지 않는다"고 말했다. 

기존 스파이로 물질 (Spiro-OMeTAD) 및 신규 개발된 불소가 도입된 스파이로 물질(Spiro-mF, Spiro-oF)의 화학 구조. /UNIST 제공

대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있게 된 것이다.

연구팀에 따르면 개발된 물질을 태양전지 전공수송층으로 사용해 24.82%의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 얻어냈고, 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지했다. 

UNIST 에너지화학공학과 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 물질에 대해 설명했다. 

[연구진사진] (우측 상단부터) UNIST 곽상규 교수, 양창덕 교수, 한국에너지기술연구원 김동석 박사, 최인우 연구원,  UNIST 정민규 연구원, 고은민 연구원 /UNIST 제공

공인 인증된 전지의 경우 1.18V의 높은 개방 전압을 보였다. 개방전압이란 하나의 전원이 출력할 수 있는 최대의 전압으로 개방 전압이 높을 수록 전력 생산량이 많아지고 태양전지의 효율이 높아진다. 

전압손실은 이론전압에서 개방전압을 뺀 수치로, 이 전압손실은 페로브스카이트의 전자·정공 재결합이나 소자의 여러 구성층 사이에서 일어나는 에너지 레벨 불일치 때문에 일어난다. 이번 실험의 경우는 치환된 불소가 광활성층과 유기 정공수송층의 에너지 라벨을 맞춰주는 역할을 했다. 

이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 "이번 연구는 지난 20년 동안 지속되어 왔지만 효율과 안정성을 동시 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다"며 "양립하기 어려웠던 수분 안전성과 효율 문제를 기존 스파이로 구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구"라고 밝혔다.

연구그림. (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

전지 제조를 담당한 한국에너지기술연구원 김동석 박사는 "현재까지 보고된 페로브스카이트 태양전지기준 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압손실로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다"며 "전지를 1cm2인 대면적으로 제작해도 효율의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다"고 강조했다.

이번 연구로 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 크게 앞당겨질 전망으로 기대되고 있다.


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