세계 최고 수준의 반투명 페로브스카이트 태양전지를 국내 연구진이 개발했다.
한국에너지기술연구원 태양광연구단은 에너지AI·계산과학실과 협업을 통해 건물 창문이나 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선하는데 성공했다고 21일 밝혔다.
연구진이 개발한 태양전지의 효율은 21.68%로 반투명 태양전지 분야 세계 최고 효율을 달성했으며, 240시간 이상의 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 뛰어난 안정성까지 보였다.
반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛을 통과시키는 투명전극으로 바꿔야 한다. 이 과정에서 고에너지 입자가 발생해 정공수송층의 성능이 저하된다. 정공수송층은 태양전지 소자에서 빛을 받아 페로브스카이트층에서 생성되는 전자와 정공 중 '정공'을 전달하는 역할을 하는 층을 말한다. 이를 막기 위해 정공수송층과 투명전극층 사이에서 완충 역할을 하는 금속산화물층을 만드는 데 불투명 태양전지에 비해 성능이 떨어지는 문제가 있다.
연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작 시 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하의 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다. 이를 통해 정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산되고, 결국 특성을 저하시키는 전자 구조로 변화된다는 것을 규명했다. 연구진은 정공수송층의 산화시간을 최적화하는 방법을 통해 태양전지의 효율과 안정성을 높이는 데 성공했다.
연구진은 국내외 기업과 협업을 통해 양면수광형 탠덤 태양전지도 국내 최초로 개발했다. 반투명 페로브스카이트 태양전지를 탠덤 태양전지의 상부셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 방식이다. 주성엔지니어링과 독일의 율리히연구소가 탠덤 태양전지 개발에 참여했다.
안세진 태양광연구단 책임연구원은 "이번 연구로 반투명 페로브스카이트 태양전지의 독특한 유기물 소재, 금속산화물 계면 열화 현상을 최초로 규명했다"며 "문제를 손쉽게 해결할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 향후 개발 기술의 활용성이 크게 확대될 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 표지논문에 게재됐다.
참고자료
Advanced Energy Materials, DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202302147