차세대 태양전지 첨가제 개발.. 1600시간 80%효율

차세대 태양전지 첨가제 개발
태양광 전기 전환 17% 증가
1600시간 동안 80% 효율 가동

Y-Th2 첨가제의 역할

[아시아경제 황준호 기자] 효율이 높고 비용이 낮아 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지. 국내 연구진이 이 전지를 상용화하는데 기여할 첨가제를 개발했다. 울산과학기술원의 박혜성, 양창덕 교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 핵심소재인 페로브스카이트에 미량의 유기화합물을 첨가해 태양전지의 수분·열·광 안정성을 복합적으로 개선했다고 3일 밝혔다.

페로브스카이트는 작은 결정 알갱이(grain)들이 뭉쳐진 다결정 구조로, 이 알갱이 사이의 경계면 결함으로 인해 외부 자극에 쉽게 분해된다. 이로 인해 햇빛을 받아 생성된 전하 입자들이 사라져, 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 떨어진다.

페로브스카이트 결정 키워 결함 막는다

첨가제에 의한 안정성 변화

연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트의 경계면 결함을 줄일 수 있는 첨가제(Y-Th2)를 개발했다. 이 첨가제는 페로브스카이트 결정 알갱이 숫자를 줄이는 대신, 크기를 키우는 역할을 한다. 결정 알갱이 숫자가 줄고, 크기가 커지면 경개면 결함도 줄어든다. 특히 이 첨가제를 활용하면 결정이 천천히 자라나, 결정 알갱이 내부의 원자가 고르게 배열되고 효율도 올라간다.

연구팀은 첨가체를 첨가한 태양전지가 대조군보다 17%P(21.5%) 정도 광전변환효율이 높았다고 밝혔다. 특히 외부 자극에 대한 안정성이 복합적으로 올라가, 1600시간 작동(40% 습도조건) 후에도 변환효율이 초기 대비 80% 이상 유지됐다고 설명했다. 대조군은 초기 효율의 30%로 떨어졌다.

광전변환효율 21.5%

첨가제에 의한 결정알갱이(grain) 크기 변화

제1저자인 구동환 신소재공학과 박사과정 연구원은 "이 첨가제를 페로브스카이트에 넣으면 루이스 산 염기 반응과 수소결합을 통해 결정성(원자배열이 고른 정도)은 우수하고 크기가 큰 결정 알갱이를 만들 수 있다"고 설명했다.

박혜성 교수는 "하나의 첨가제를 이용해 페로브스카이트 소재의 복합 안정성과 광전기적 성질을 모두 개선한 연구"라며 "이번에 개발한 첨가제는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 LED(PeLED)와 같은 다양한 페로브스카이트 기반 광전 소자의 발전에도 크게 기여할 수 있을 것"이라고 기대했다.

한편 이번 연구 성과는 국제 학술지인 어드벤스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 최근 실렸다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr