광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 세계 최초 페로브스카이트 태양전지 상용화 전략연구사업단(단장 이광희·신소재공학과 초빙석학) 연구팀이 유기태양전지가 고온에서 성능이 떨어지는 원인을 규명하고 이를 억제하는 새로운 계면 제어 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
유기태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸는 핵심 소재로 유기물을 사용하는 태양전지다. 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연하게 만들 수 있고, 용액을 이용해 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 열에 약하다는 점은 상용화의 걸림돌이다. 실제 태양광 발전 환경에서는 태양전지가 햇빛을 받으면서 높은 온도에 노출될 수 있기 때문에, 장시간 사용해도 성능을 유지할 수 있는 기술이 필요하다.
연구팀은 유기태양전지를 85℃에서 가열하면서 소자 내부에서 어떤 변화가 일어나는지 추적했다. 그 결과, 산화몰리브덴이 고온에서 원래 있던 위치를 벗어나 태양전지의 발전을 담당하는 광활성층 내부로 서서히 퍼져 나가는 현상을 확인했다. 산화몰리브덴의 전기적 특성이 변하는 것보다 산화몰리브덴이 광활성층으로 이동하는 것이 고온 성능 저하의 보다 중요한 원인임을 밝혀냈다.
산화몰리브덴이 움직이지 못하도록 계면에서 안정화하면 고온 열화를 막을 수 있을 것이라는 데 착안해 산화몰리브덴과 광활성층 사이에 PBN이라는 작은 분자를 삽입했다. 그 결과 고온에서도 매우 안정적인 성능을 관찰했다.
PBN을 적용한 유기태양전지는 85 ℃에서 2000시간이 지난 뒤에도 초기 광전변환효율 약 18.1 %를 100 % 수준으로 유지했다. 반면 PBN을 적용하지 않은 태양전지는 고온에 노출된 지 2시간 만에 효율이 약 20 % 감소했고, 24시간 뒤에는 약 25 % 감소했다. 유기태양전지에서 흔히 나타나는 초기 성능 급감 현상인 번인 손실도 나타나지 않았다.
이광희 단장은 “이번 연구는 유기태양전지가 고온에서 성능이 떨어지는 핵심 원인을 찾아내고, 그 원인이 되는 소재의 움직임을 계면에서 직접 억제할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “이번 기술이 유기태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트 태양전지와 유기-페로브스카이트 탠덤 태양전지 등 차세대 태양전지의 장기 안정성을 높이는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
