“영상·영하 100℃ 거뜬”…26.39%, 초고효율 태양전지 나왔다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 영하 100도와 영상 100도의 온도 변화에도 이상없이 정상 작동하는 새 태양전지 소재가 개발됐다.

한국연구재단은 UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수와 신소재공학과 송명훈 교수 공동연구팀이 자기조립단분자막의 분자 연결 위치를 조절해 전극 위에서 치밀하고 안정적으로 배열되는 계면소재 ‘LY-m’을 개발했다고 3일 밝혔다.

차세대 태양광 기술로 연구가 활발한 페로브스카이트 태양전지 중에서도, 전하를 수송하는 층의 위아래 구조를 반대로 뒤집은 역구조 방식이 효율 및 안정성 극대화 측면에서 주목받고 있다.

역구조 소자에서 투명전극(ITO)과 페로브스카이트 흡수층 사이의 계면은 전체 태양전지 성능을 좌우하는 핵심 부위다.

이때 자기조립단분자막(SAM)이 계면 내 정공수송층으로 널리 쓰이지만 분자들이 고르게 배열되지 않거나 열을 받으면 태양전지의 에너지 손실이 크고 장기 안정성이 떨어질 수 있다.

기존 SAM 연구에서는 이를 개선하기 위해 화학구조와 전기적 특성을 동시에 바꾸는 경우가 많아 연결 위치 자체가 계면 성능에 미치는 영향을 알기 어려웠다.

연구팀은 SAM 분자의 기본 구조는 유지한 채 중간 연결고리의 위치만 바꾼 세 가지 이성질체를 합성했다.

이를 페로브스카이트 계면에 적용한 결과, 메타(meta) 위치에 연결된 ‘LY-m’ 분자가 가장 뛰어난 특성을 보였다.

LY-m 분자는 투명전극 기판 위에 기울어진 형태로 촘촘하고 균일한 막을 형성해, 세 이성질체 중 가장 큰 결합 에너지를 보이는 동시에 결함을 최소화하는 경향을 나타냈다.

실제 역구조 페로브스카이트 태양전지 소자에 적용한 결과 LY-m은 최고 광전변환효율 26.39%라는 초고효율을 달성했다.

특히 영하 100도와 영상 100도를 각각 30분씩 반복하는 극한 열순환 시험에서 기존 상용 소재 소자는 작동을 멈춘 반면, LY-m 소자는 약 9%의 효율 감소만으로 정상 작동을 유지함을 확인했다.

양창덕 교수는 “이 설계 원리는 고효율 역구조 페로브스카이트 단일접합과 탠덤 태양전지의 정공선택 계면을 개선하는 데 활용될 수 있다”면서 “다만 우주 환경처럼 큰 온도 변화가 예상되는 환경에도 참고가 될 수 있지만, 더 많은 열순환, 진공·방사선 등 복합 조건, 대면적 균일 코팅과 장기 봉지 신뢰성 검증이 필요하다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 게재됐다.