첨가제 없이 전기 흐름 개선…2000시간 뒤 성능 97.8% 유지
분자 끝의 원자 하나만 바꿔 전기가 흐르는 길을 조절하는 페로브스카이트 태양전지 기술이 개발됐다. 별도의 화학 첨가제를 사용하지 않고도 높은 효율과 장시간 안정성을 확보했다.
성균관대학교는 화학공학부 박남규 교수 연구팀이 이상욱 교수 연구팀과 함께 태양전지 내부의 전기 흐름을 결정구조만으로 조절하는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 빛을 받으면 전기를 만드는 데 필요한 두 종류의 전하가 생긴다. 이 전하들이 서로 다른 방향으로 빠르게 이동해야 전기를 효율적으로 생산할 수 있다.
기존에는 전하가 잘 움직이도록 화학물질을 첨가하는 방식을 주로 사용했다. 하지만 첨가제가 시간이 지나면서 이동하거나 다른 물질과 반응하면 성능이 떨어지고 수명이 짧아질 수 있다.
연구팀은 첨가제를 넣는 대신 분자 구조 자체를 바꾸는 방법을 택했다. 분자 끝의 원자를 황(S)과 질소(N)로 각각 달리한 두 종류의 물질을 만들었다.
원자 하나가 달라지자 물질 내부의 결정이 연결되는 모양도 달라졌다. 한쪽에서는 양전하가 잘 움직이고 다른 쪽에서는 음전하가 잘 이동하는 구조가 만들어졌다. 태양전지 안에서 각각의 전하가 지나갈 길을 따로 만든 셈이다.
연구팀이 이 구조를 태양전지에 적용한 결과 공인 광전변환효율 27.19%를 기록했다. 655㎠ 크기의 대면적 모듈에서도 22.26%의 효율을 나타냈다.
내구성도 확인했다. 2000시간 동안 계속 빛을 비춘 뒤에도 초기 성능의 97.8%를 유지했다.
박 교수는 “별도의 화학 첨가제 없이 분자 구조를 바꾸는 것만으로 전하의 이동을 조절할 수 있음을 확인했다”며 “고효율과 장기 안정성을 갖춘 페로브스카이트 태양전지 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
장야란 박사가 제1저자로, 박 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 게재됐다.
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