국내 연구진이 열과 빛, 공기 등 장시간 외부 환경 노출에도 높은 안정성을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김희주 에너지융합대학원 교수와 이광희 신소재공학부 교수팀이 서홍석 부산대 화학과 교수팀과 공동으로 페로브스카이트 내부 이온 결함을 흡수하는 초박막 전해질 층을 도입해 페로브스카이트 태양전지 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.
고효율 박막형 태양전지 가운데 가장 높은 에너지 전환 효율을 보이는 페로브스카이트 박막은 용액공정으로 제작한다. 높은 결정성을 가진 다결정 박막이지만 결정과 결정 사이 또는 박막 표면에 이온 결함이 존재한다. 페로브스카이트 태양전지가 열, 빛, 공기에 노출됐을 때 표면과 내부에서 상부로 이동한 이온 결함은 상부 전극을 부식시켜 태양전지 성능을 떨어뜨려 페로브스카이트 태양전지 상용화 걸림돌인 낮은 안정성의 원인이 되고 있다.
고안정성 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해 페로브스카이트 전구체 용액에 금속 이온 또는 유기물 등을 첨가해 결정을 단단하게 하거나 상·하부 기능층을 새로운 물질로 대체하는 등 다양한 방법을 적용하는 기술이 개발되고 있다. 하지만 연속 공정을 통한 상용화를 목표로 하는 페로브스카이트 태양전지를 위해서는 보다 간단한 접근 방법이 필요한 상황이다.
연구팀은 열적 안정성이 높은 카바졸 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민 작용기가 도입된 새로운 고분자 전해질을 개발하고 이를 페로브스카이트 상부 전극과 페로브스카이트 박막 사이에 초박막으로 도입했다. 새로운 고분자 전해질 층은 페로브스카이트 박막 표면 및 내부에 존재하는 이온 결함을 효과적으로 흡착하면서도 상부 전극과 페로브스카이트 층 사이 전하이동을 향상시키는 높은 전기적 특성을 보였다. 새로운 구조의 페로브스카이트 태양전지는 85도 열에 1000시간 동안 노출, 350시간 동안 빛이나 공기 중에 1500시간 이상 노출 후에도 태양전지 성능이 유지되는 우수한 안정성을 보였다.
김희주 교수는 “단 한 층의 용액공정이 가능한 유기 전해질을 페로브스카이트 태양전지에 도입해 손쉽게 페로브스카이트 태양전지의 열, 빛 및 공기 안정성을 획기적으로 향상시켰다”면서 “향후 다양한 외부 환경에서도 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 GIST 연구원(GRI), 한국연구재단이 지원하는 미래수소원천기술개발사업, 글로벌 연구실 사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다. 에너지 & 연료분야 상위 논문인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이' 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
