우리 연구진이 고효율 유연 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 원천 기술을 개발했다. 기존 방식에서 벗어나, 표면 결함 문제를 해소했다.
한국에너지기술연구원은 홍성준 태양광연구실 박사팀이 울산과학기술원(박영석 교수), 군산대(이경구 교수)와 공동으로 역구조 페로브스카이트 태양전지 효율·안정성을 동시에 높이는 '쌍분자 패시베이션' 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 가볍고 제조가 쉬워 차세대 태양광 기술로 주목받는데, 얇은 막을 만드는 과정에서 결정 경계와 표면에 미세한 결함이 생겨 전기가 소멸하는 손실이 발생한다. 특히 위·아래를 뒤집은 역구조 방식은 저온에서도 만들 수 있어 상용화에 유리하지만, 표면 결함 문제가 성능 향상의 걸림돌이었다.
기존에는 결함을 없애기 위해 표면에 아주 얇은 분자층을 코팅하는 패시베이션(표면 안정화) 기술을 주로 활용해 왔는데, 대부분 한 종류 분자만을 사용해 결정 경계 깊숙한 곳의 결함과 표면 바로 위의 결함을 동시에 효과적으로 처리하기 어려웠다.
연구진은 결함을 메우기 위해 한 가지 분자만 쓰던 기존 방식에서 벗어나 서로 다른 결합 특성을 가진 두 가지 유기 분자를 조합하는 쌍분자 기법을 도입했다.
연구진은 크기가 작은 PDAI 분자로 결정 경계에 남아있는 미세한 구멍을 메우고 전자가 이동하는 통로를 안정화했다. 이어 4TF 분자를 활용해 페로브스카이트 표면에 남은 불안정한 납 원자를 결합함으로써, 표면을 화학적으로 안정시키고 전자가 순조롭게 흐를 수 있도록 했다.
개발된 태양전지는 24.6%의 변환효율을 기록했다. 이는 표면처리를 하지 않은 대조군(21.21%)이나 PDAI만 단독으로 사용한 사례(23.17%)보다 뚜렷하게 높은 수치다. 또 연구진은 실험을 통해 두 분자를 각각 쓸 때보다, 순차적으로 함께 쓸 때 결함 제거 효과와 표면 안정화 효과가 서로 보완되고 우수한 결과를 낸다는 점도 증명했다.
홍성준 박사는 “이번 성과는 건물 창문이나 자동차 선루프, 휴대용 기기 등에 쓰이는 고효율 유연 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 원천 기술”이라며 “향후 고성능 차세대 태양전지 제품군으로 응용하여 친환경 재생에너지 시장의 기술 경쟁력을 높이겠다”고 밝혔다.
연구 성과는 'ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스에 지난 4월 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
