우리 연구진이 반투명 페로브스카이트 태양전지 안정성과 효율을 모두 높이는데 성공했다.
한국에너지기술연구원은 태양광연구단이 에너지AI·계산과학실과 협업해 21.68%의 세계 최고 효율, 240시간 이상 작동에도 초기 대비 99% 이상 효율을 유지하는 뛰어난 안정성을 달성했다고 21일 밝혔다.
탄소중립 달성을 위한 차세대 태양전지 기술 핵심은 초고효율화 달성, 적용처 확대에 있다. 탠덤 태양전지(에너지 흡수대가 서로 다른 전지를 적층해 빛 이용률을 높인 태양전지), 창호용 태양전지와 같은 기술이 필요하다. 우수한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 여기에 모두 쓰인다.
반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하려면 기존 불투명 태양전지 금속전극을 투명전극으로 바꿔야 한다. 이 때 고에너지 입자가 발생해 정공수송층 성능이 저하되는데, 이를 막기 위해 정공수송층과 투명전극층 사이 완충 역할을 하는 금속산화물층을 만드는 것이 일반적이다.
다만 불투명 태양전지에 비해 전하 이동성·안정성이 떨어지는데 그 원인과 해결책은 규명되지 않았다.
연구진은 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용해 이를 규명했다. 정공수송층 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산되고, 특성을 저하시키는 전자 구조로 변하는 것을 규명했다.
연구진은 원인규명을 넘어, 정공수송층 산화시간을 최적화해 그 문제를 해결했다. 산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬산화물로 변환되면 리튬이온 확산을 차단시켜 소자 안정성을 높이는 것을 확인했다.
연구진은 더 나아가 개발 태양전지를 탠덤 태양전지 상부셀에 적용해 후면 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했다.
주성엔지니어링, 독일 율리히 연구소와 협력해 제작한 양면수광형 탠덤 태양전지는 후면에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형(상하부셀 독립 작동으로 4개 단자가 노출되는 구조) 31.5%, 2단자형(상하부셀 일체형으로 2개 단자가 노출되는 구조) 26.4%의 높은 기대효율을 달성했다.
연구를 수행한 안세진 태양광연구단 박사는 “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.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
