대기 중 수분 흡수한 태양전지, 효율성 크게 저하
UNIST·KIER 공동연구팀, 정공 수송층의 수소를
불소로 바꿔 페로브스카이트 전지 취약성 해결


차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결한 물질이 개발됐다. 이 물질을 쓴 전지는 이제껏 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 효율(24.82%)을 기록했다. 

울산과학기술원(UNIST)과 한국에너지기술연구원(KIER) 공동연구팀은 25일, 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공 수송층 물질’을 개발했다. 

페로브스카이트 태양전지는 두 개의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 ABO₃ 구조를 지니는 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 활용하여 태양광으로부터 전류를 생산하는 태양전지다. 

광활성층은 태양전지에서 태양광을 받아 전자와 정공을 생성하는 물질로, 여기서 생성된 전자와 정공은 각각 전자 수송층과 정공 수송층을 거쳐 전극으로 전달된다. 전극으로 전달되는 전자와 정공의 양이 많아야 전력생산이 증가한다.

하지만 정공 수송층이 대기 중 수분을 흡수하면 정공 수송층 자체 성능이 떨어진다. 그뿐만 아니라 수분은 페로브스카이트 물질로 된 광활성층을 분해할 수 있다. 분해가 일어나면 전지의 효율이 하락한다.

공동연구진은 스파이로 구조(Spiro-OMeTAD)를 갖는 정공 수송층의 수소를 불소로 바꿔 성능은 좋으면서 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했다. 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질인 소수성이 강해 수분을 흡수하지 않는다.

연구진은 개발된 물질을 태양전지 정공 수송층으로 써 24.82%(공인인증 결과 24.64%)의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 얻었다. 또 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지했다. 기존물질을 정공 수송층으로 사용하면 500시간 후 40% 이상의 효율이 감소한다.

공인 인증된 전지의 경우 1.18V의 높은 개방 전압을 보였다. 이는 페로브스카이트 전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치다.

전지 제조를 담당한 KIER 김동석 박사는 “현재까지 보고된 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압 손실(페로브스카이트 태양전지 기준)로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다”라며 “전지를 대면적(1cm²)으로 제작해도 효율(22.31%)의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다”라고 설명했다.

이번 연구 결과는 사이언스(Science) 지에 9월 25일 자로 온라인 공개됐다.