피로회복제 성분으로 잘 알려진 자연 유래 항산화 물질 '타우린(Taurine)'을 이용해 차세대 페로브스카이트 태양전지의 성능과 수명을 대폭 높이는 기술이 개발됐다.
대구경북과학기술원(DGIST)은 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 문병준 박사 연구팀과 공동연구를 통해 타우린을 활용, 태양전지가 스스로 붕괴하는 원리를 규명하고 이를 차단하는 새로운 설계법을 제시했다고 12일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지를 대체할 고효율 차세대 태양전지로 꼽히지만 빛이나 열에 노출되면 구조가 쉽게 분해(열화)되어 작동 수명이 짧아지는 한계가 있다.
연구팀은 금속산화물(n형 반도체 주석산화물)과 페로브스카이트 층이 맞닿는 경계면에 다기능성 작용기를 가진 타우린을 적용해 얇은 항산화층을 덧입히는 기술을 개발했다. 태양전지가 작동할 때 금속산화물 층에서는 구조를 파괴하는 활성산소의 일종인 초과산화물이 발생하는데, 항산화 물질인 타우린이 이를 지속적으로 제거해 페로브스카이트가 분해되는 경로를 근본적으로 억제한 것이다.
또 타우린은 두 층 사이에서 '화학적 다리' 역할을 수행해 경계면에 존재하는 미세한 결함들을 메워주고(부동태화), 전자가 훨씬 원활하게 이동할 수 있도록 돕는 등 태양전지의 전반적인 효율까지 함께 끌어올렸다.
실제 타우린이 적용된 태양전지는 500시간 이상 연속으로 빛을 쬐어도 초기 효율의 95% 이상을 끄떡없이 유지하는 우수한 광 안정성을 보였다. 특히 실제 구동 안정성 테스트에서는 효율이 초기 대비 80%로 떨어지는 데 걸리는 시간(T80)이 기존 23.6시간에서 130시간으로 무려 5배 이상 늘어나며 실사용 수명을 획기적으로 확보하는 성과를 거뒀다.
이번 연구는 그동안 페로브스카이트 태양전지의 최대 난제였던 안정성 및 수명문제를 개선해 차세대 태양전지 상용화 시기를 앞당기고, 고가 특수 화학물질이 아닌 대량생산이 쉽고 저렴한 타우린을 적용해 향후 태양전지 패널 제조공정 단가를 낮출수 있다는 점에서 의미가 크다는 평가다.
최종민 교수는 “이번 연구는 태양전지 구동 중 금속산화물에서 발생하는 초과산화물이 페로브스카이트를 분해한다는 사실을 명확히 밝히고, 계면을 항산화 물질로 설계해 이를 해결한 것에 큰 의미가 있다”며 “향후 페로브스카이트 태양전지의 구동 안정성을 높여 상용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 이노코어 프로그램 지원을 받아 수행했으며, 연구결과는 최근 에너지 분야 국제 학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 표지논문으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
