국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트 태양전지' 효율을 25% 이상 늘리면서 동시에 수명도 늘릴 수 있는 제어기술을 개발했다.
한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀은 한국화학연구원과 함께 페로브스카이트 태양전지의 전력변환효율(PCE)과 장기 안정성을 동시에 향상시키는 '2차원 보호막 설계기술'을 개발했다고 24일 밝혔다. PCE는 빛 에너지를 전기로 변환하는 비율을 뜻하며 태양광 발전의 핵심지표다.
페로브스카이트 태양전지는 효율이 높지만 고온다습한 환경이나 장시간 빛에 노출될 경우 성능이 저하되기 쉬워 상용화에 어려움이 있다. 기존에는 태양전지 표면 결함을 줄이고 효율을 높이기 위해 3차원 페로브스카이트 결정 위에 2차원 층을 덧입히는 구조가 사용돼 왔다. 그러나 시간이 흐르면 2차원 층의 구조가 변형돼 성능이 저하되는 한계가 있었다. 이처럼 기존 설계구조에서는 효율을 높이면 수명이 줄고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에 연구팀은 기존보다 견고한 '디온-재콥슨(DJ)' 구조 2차원 페로브스카이트 보호막을 도입하는 방식으로 문제를 해결했다. DJ 구조는 페로브스카이트 층 사이에 유기 분자가 양쪽으로 연결해 구조를 단단히 지탱하는 형태다. 쉽게 말해 벽돌 사이에 시멘트를 발라 건물을 튼튼히 짓는 것과 비슷한 원리다.
연구팀은 보호막 내부에서 페로브스카이트 무기층이 쌓이는 수인 'n값'을 정밀하게 제어하고, 열처리 온도와 시간을 조절해 접착제가 굳듯 벽돌 구조가 가장 단단하고 정돈된 상태가 되도록 유도했다.
그 결과 전하 이동이 원활해지면서 PCE가 기존 20%에서 25.56%까지 올랐고, 동시에 기온 85℃, 상대습도 85%의 가혹한 환경과 지속적인 빛 노출에도 고효율을 유지할 수 있을만큼 안정성도 향상됐다.
연구팀은 이 기술을 대면적 모듈 제작에도 적용해 상용화 가능성까지 확인했다고 설명했다.
서장원 교수는 "효율을 높이면 수명이 줄어드는 난제를 표면 보호막 구조 설계로 해결했다"며 "공정 조건 변화에도 안정적으로 작동해 향후 대면적 제조 공정 효율을 높여 상용화를 앞당기겠다"고 밝혔다.
이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 2월 24일자로 게재됐다.
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