첨가제 없이 효율 22.8% … 고온·습도 환경서 안정성도 개선
아주대학교 연구팀이 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있는 신소재를 개발했다. 별도의 첨가제를 사용하지 않고도 22.8%의 광전변환 효율을 냈다.
아주대는 이준우·김종현 응용화학과·대학원 분자과학기술학과 교수팀이 태양전지 안에서 전하를 이동시키는 핵심 소재를 새롭게 설계했다고 18일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수해 전기로 바꾸는 물질을 이용하는 차세대 태양전지다. 기존 실리콘 태양전지보다 제조 과정이 비교적 간단하고 얇고 유연하게 만들 수 있어 다양한 용도로 활용할 수 있다는 장점이 있다.
문제는 태양전지 안에서 전하를 옮기는 소재였다. 기존에 많이 쓰이는 PTAA는 안정적이고 만들기 쉽지만 전하 이동 성능이 낮아 별도의 첨가제를 섞어야 하는 경우가 많았다. 이 첨가제가 시간이 지나면서 소자의 안정성을 떨어뜨릴 수 있고, 다른 층과 맞닿는 부분에 작은 결함이 생기는 한계도 있었다.
연구팀은 PTAA의 기본 구조는 유지하면서 주변 화학구조만 바꾸는 방법을 택했다. 전하가 더 잘 움직일 수 있도록 분자 구조를 조정하고, 태양전지의 다른 층과 맞닿는 부분의 결함도 줄였다.
새 소재를 적용한 태양전지는 첨가제 없이 22.8%의 광전변환 효율을 기록했다. 같은 조건에서 여러 소자를 만들었을 때 성능 차이도 줄어 재현성이 개선됐다.
고온·습도 조건에서도 기존 소재보다 안정성이 높았다. 65℃·상대습도 30% 환경에서 160시간이 지난 뒤 초기 효율의 41%를 유지했다. 기존 PTAA는 27%였다. 다만 상온 조건에서 2300시간 보관했을 때는 새 소재 33%, 기존 소재 34%로 비슷한 수준이었다.
연구팀은 이 소재를 다른 종류의 페로브스카이트에도 적용해 기존 소재보다 높은 효율을 확인했다. 향후 실리콘 태양전지와 페로브스카이트를 겹쳐 사용하는 ‘탠덤 태양전지’에 활용할 가능성도 제시했다.
이준우 교수는 “전하 이동과 층 사이의 접촉 문제를 하나의 소재에서 함께 개선한 것이 이번 연구의 특징”이라고 말했다.
연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 9월호에 실렸다.
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