[데일리비즈온 김소윤 기자] 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결했다. 이번 연구로 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 크게 앞당겨 질 것이 기대된다.

25일 울산과학기술원(UNIST)는 이 대학과 한국에너지기술연구원 공동연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공수송층 물질’을 개발했다고 밝혔다.

이에 따르면 정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층이다. 정공수송층의 수소를 불소로 바꿔(불소 도입) 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했다는 것이 연구팀의 설명이다.

이 물질을 쓴 전지는 이제껏 논문으로 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 효율(24.82%)을 기록했다. 수분 안정성과 효율을 동시에 잡아 획기적이라는 평을 듣는 이번 연구 결과는 세계적 과학저널인 Science지에 9월 25일자로 온라인 공개됐다.

연구팀은 ‘불소 도입’이라는 간단한 방식으로 정공 수송층과 광활성층을 안정화 시켰다. 개발된 정공 수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수한 성능은 유지하면서도 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해 수분을 흡수하지 않는다는 설명이다.

연구팀은 “기존 정공 수송층이 대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있다”고 밝혔다. 수분이 정공 수송층 자체의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 정공 수송층이 흡수한 수분에 노출된 광활성층(페로브스카이트)이 분해되는 여러 문제가 있었다.

개발된 물질로 연구팀은 태양전지 정공수송층으로 써 24.82% (공인인증 결과 24.64%)의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 얻었다. 또 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지하기도 했다. 이와 달리 기존물질을 정공수송층으로 사용하였을 경우 500시간 후 40%이상의 효율이 감소하는 등 차이를 보였다.

특히 공인 인증된 전지의 경우 1.18볼트의 높은 개방 전압을 보이기도 했다. 이는 페로브스카이트 전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치라고 연구팀은 설명했다. 개방 전압이 높을수록 전력 생산량이 많아지고 태양전지의 효율이 높아진다는 것이다.

연구팀 관계자는 “효율과 안정성이 높은 유기 정공 수송층 개발 연구는 지난 20년 동안 지속되어 왔지만, 이 두 가지 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다”며 “그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구”라고 말했다.

◇ 상용화 걸림돌이던 수분 취약성 해결

차세대 태양전지인 페로브스카이트에 대한 연구는 이전부터 활발하다. 22일에도 이 전지를 수분으로부터 보호하고 전지 노화를 발생시키는 자외선을 차단해 유용한 가시광선으로 바꾸는 기술이 개발됐다.

UNIST 권태혁, 서관용, 장성연 교수팀은 해당 기술을 개발했다면서 물을 밀어내는 성질(발수성)을 강화한 유기금속을 ‘초음파 스프레이 방식’으로 전지에 입힌 원리다.

이를 통해 페로브스카이트 태양전지가 갖는 고질적 문제(수분 취약성)를 해결하고 전지 효율도 높였다고 설명했다. 이들이 개발한 유기금속은 페로브스카이트에 쬐인 자외선을 가시광선으로 바꾸는 역할을 한다.

전지에 유해한 자외선은 막으면서 이를 페로브스카이트 전지가 흡수해 전력을 생산 할 수 있는 형태의 가시광선으로 바꾸는 과정에서 유기금속의 발수성을 강화하는 방식으로 수분과 자외선을 막음은 물론 효율까지 끌어올렸다.

코팅처리 된 전지는 50~60%의 높은 습도에서도 900시간 가까이 초기 효율을 유지했다. 또 전지 효율도 향상 됐다. 반면 코팅을 적용하지 않은 전지는 300시간 만에 자외선에 의해 효율이 반으로 줄었다.