대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST·원장 오상록) 기능성복합소재연구센터 문병준 박사와 공동연구를 통해 수소 결합 첨가제를 활용, 페로브스카이트 태양전지의 성능을 크게 개선하는 방법을 개발했다고 20일 밝혔다.
이 연구는 수소 결합을 통해 태양전지 재료가 더 오래 유지되도록 하며, 태양전지 효율성과 안정성을 동시에 잡았다는 평가다.
페로브스카이트는 태양전지의 유망한 소재로 주목받고 있다. 빛을 전기로 전환하는 효율이 높고 대량생산이 용이하다는 장점을 갖고 있지만, 제조 시 사용하는 용액이 시간이 지나면 이온들이 분해되며 불순물이 생긴다는 단점이 있다. 이렇게 오래된 용액으로 만든 태양전지는 성능이 떨어질 수 있고, 고온에서는 이온들이 더 빠르게 변화해 성능 저하가 가속화될 수 있다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 수소 결합이 가능한 첨가제를 페로브스카이트 용액에 추가했다. 이 첨가제는 유기물과 수소 결합을 만들어 태양전지에 들어가는 중요한 성분들이 쉽게 변하지 않도록 보호해준다.
연구팀은 컴퓨터 모델링을 통해 이 수소 결합이 성분들을 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 140일 동안 보관한 오래된 용액으로 만든 태양전지도 새로 만든 용액과 거의 같은 효율(96.7%)를 유지할 수 있었다.
또 이 첨가제는 태양전지 안에서 생길 수 있는 결함을 줄여 태양전지의 성능을 더욱 높였다. 이를 통해 태양전지의 전력 변환 효율이 기존 22.61%에서 24.31%로 향상되었다. 실험 결과, 이 태양전지는 85도의 높은 온도에서 72.5일 동안 사용해도 초기 성능의 98% 이상을 유지하는 뛰어난 안정성을 보여주었다.
최종민 교수는 “기존 페로브스카이트 용액 기반 공정에서 이온들이 쉽게 망가지는 문제를 수소 결합을 이용한 첨가제를 통해 해결할 수 있다는 것을 밝혀냈다” 며 “이 첨가제가 태양전지가 상용화되는 데 꼭 해결해야만 하는 열적 불안정성 문제를 개선하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 DGIST 에너지공학과 용태영 박사과정생 주도로 최종민 교수, KIST 문병준 박사의 공동 연구결과다.
국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, DGIST R&D Program 및 한국과학기술연구원의 기관 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 최근 세계적 국제 학술지 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 온라인 게재됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
