석상일 UNIST 에너지화학공학과 특훈교수팀이 페로브스카이트 태양전지를 고효율로 장시간 유지할 수 있는 기술을 개발했다.
석 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 박막 표면에 양이온의 특이성을 이용한 중간층을 형성하는 방식으로 전지 고효율과 내구성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트라는 물질을 광흡수 소재로 사용한다. 광흡수 소재가 빛을 받아 만든 전하 입자를 전극으로 전달하면서 전기에너지를 생성하는 원리다. 이 광흡수소재의 결함을 억제하면 전하입자를 전극으로 효과적으로 전달해 전지 효율을 높일 수 있다.
단일 유기 양이온을 사용한 기존 연구는 양이온 이탈로 인한 박막 구조 붕괴와 에너지 준위 부조화라는 문제를 안고 있었다. 에너지 준위는 전하가 이동하는 '계단'같은 경로로, 층간 에너지 준위가 어긋나면 전하 손실이 발생하고 전지 효율도 떨어진다.
석 교수팀은 두 종의 유기 양이온을 함께 사용해 열적으로 안정적인 중간층을 설계했다. 그 결과 전자를 끌어당기는 힘이 다른 두 물질의 분자 간 상호작용으로 계면 구조는 안정화되고 정공 전달이 쉬운 에너지 준위를 자연스럽게 유도했다. 페로브스카이트 박막 내 결함 농도도 줄어, 결함으로 인한 전하 손실 역시 크게 개선됐다.
중간층 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지의 전기 전환 효율은 상용 실리콘 전지의 최고 효율에 버금가는 26.3%를 기록했다.
석 교수팀은 28% 이상의 초고효율과 고내구성을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지 개발을 목표로 관련 연구를 지속해 나갈 계획이다.
김종범 연구원은 “유기 암모늄 양이온의 조합을 이용하는 이 새로운 방식은 간단한 용액 공정만으로 안정적인 계면층을 형성해 페로브스카이트 태양전지 내구성과 제조 효율을 동시에 개선할 수 있다”고 말했다.
이번 연구 결과는 셀(Cell) 자매지 줄(Joule) 3월 17일 온라인판에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com