부산대학교 진성호·조영래 교수팀과 한국에너지기술연구원 공동연구하는 내용 이미지. (사진=부산대 제공)

‘차세대 태양전지’로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 높이는 데는 정공전달물질에 첨가제가 사용되는데, 역설적이게도 이 첨가제가 수분 안정성을 저하시켜 전지의 수명이 단축되는 문제가 있어 연구자들의 고민이 컸었다.

이에, 최근 부산대학교 연구팀이 정공전달물질에 첨가제 없이도 높은 효율과 긴 수명을 갖는 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공해 국내 기술경쟁력 확보가 기대되고 있다.

부산대는 화학교육과 진성호 교수팀과 재료공학부 조영래 교수팀이 한국에너지기술연구원과의 공동연구를 통해, 첨가제가 필요 없는 전도성 고분자 정공전달물질을 도입해 23.07%의 우수한 전력변환효율을 달성하고 수명이 1000시간(초기 효율 10% 감소기준)에 이르는 고효율·장수명의 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.

‘페로브스카이트 태양전지’는 태양전지의 한 종류로, 빛을 받아 전류를 발생시키는 광활성층이 페로브스카이트 물질로 이뤄진 전지를 말한다. 페로브스카이트층은 전지 내 전자전달층과 정공전달층 사이에 위치한다. 전자전달층은 페로브스카이트에서 형성된 전자를 음극으로 전달하고, 정공전달층은 정공을 양극으로 원활하게 전달함으로써 전류를 발생시킨다.

페로브스카이트 태양전지는 떠오르는 차세대 태양전지로 활발한 연구가 이뤄지고 있으나, 상용화를 위해 페로브스카이트 태양전지의 핵심 이슈인 열안정성과 수분에 대한 안정성을 해결하는 기술 개발이 요구되고 있다.

특히 수분에 대한 안정성은 정공전달층에 첨가되는 첨가제로 인해 떨어지기 때문에 고효율과 장수명의 페로브스카이트 태양전지를 개발하기 위해서는 첨가제가 필요 없는 정공전달층을 형성하는 것이 매우 중요하다.

기존의 페로브스카이트 태양전지는 정공전달물질로 스파이로-오엠이테드(spiro-OMeTAD)를 사용해 왔다. 이 물질은 정공이동도를 높이기 위해 첨가제 사용이 필수적이다. 이러한 첨가제가 도입된 정공전달층은 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 최대로 올려주지만, 또한 이 첨가제가 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 저하시키는 주된 요인이 되기도 한다.

예를 들어, 첨가제로 주로 사용되는 리튬 이온염인 Li-TFSI는 광전변환효율은 높여주지만, 흡습성과 불안정성을 갖고 있어 태양전지의 장기 안정성을 저하시키는 단점이 있다.

이에, 첨가제 없이 고효율을 달성할 수 있는 새로운 정공전달물질 개발이 반드시 필요한 상황이었는데, 이번에 연구팀에서 정공전달층에 첨가제가 필요 없는 전도성 고분자인 Nap-SiBTA를 도입해 첨가제가 사용된 스파이로-오엠이테드 기반의 페로브스카이트 태양전지와 동일한 광전변환효율을 보임을 확인한 것이다.

개발된 전지는 23.07%의 우수한 전력변환효율을 달성한 한편, 장기 안정성도 매우 우수해 1000시간이 지난 후에도 초기 효율의 93%를 유지하는 등 고효율과 안정성을 동시에 확보해 가혹한 작동 환경에서도 활용 가능한 고효율·장수명 페로브스카이트 태양전지로 탄생했다.

연구를 주도한 부산대 화학교육과 진성호 교수는 “이번 연구가 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기고, 우리나라의 해당분야 기술경쟁력 강화에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 2018년 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업의 지원을 받았고, 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구진과 함께 공동연구로 수행됐다. 해당 논문은 에너지 분야의 세계적인 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF: 29.368)' 11월 28일자에 게재됐다.