KAIST가 밀봉 보호층(봉지재)을 사용하지 않고도 고온과 고습 환경을 견디는 27%급 고효율 차세대 페로브스카이트 태양전지를 구현했다.
한국연구재단은 KAIST 전기및전자공학부 이정용 교수팀이 고려대와 공동연구로 유기 고분자의 에너지 준위 설계를 바탕으로 페로브스카이트와 유기 반도체를 결합한 하이브리드 태양전지의 전자구조와 전하 이동 경로를 제어하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
이 기술은 차세대 박막 태양전지 상용화의 최대 걸림돌로 꼽히던 효율과 안정성 문제를 한 번에 해결해 건물 일체형 태양광(BIPV)과 이동형 전원, 초경량 우주항공용 전원 등 다양한 에너지 플랫폼에서 활용이 기대된다.
빛을 전기로 전환하는 효율이 높고 무게가 가벼운 페로브스카이트 태양전지는 차세대 전지로 주목받고 있지만, 수분과 열에 취약해 장시간 작동이 어려웠다.
이를 해결하려면 공정과 비용을 늘리고 소자를 무겁게 만드는 봉지재를 필수적으로 부착해야 했다.
일부 연구에서 유기 반도체 벌크 이종접합층을 페로브스카이트와 융합해 근적외선 흡수와 외부 수분 차단을 동시에 시도했지만, 접합면 에너지 준위가 어긋나 전자가 빠져나간 자리인 정공이 쌓이는 문제가 있었다.
이는 소자가 작동하는 전압에서 전하가 재결합하며 ‘S자형 전류-전압 왜곡’ 현상이 발생해 성능이 떨어졌기 때문이다.
연구팀은 기존 하이브리드 페로브스카이트 구조에서 전하 흐름 자체가 성능 저하 원인이라는 점에 주목했다.
유기 고분자를 사용하는 과정에서 정공이 특정 계면에 쌓이면서 전류 흐름이 비정상적으로 꺾이는 ‘S자형 전류-전압 왜곡’ 현상이 발생했고, 이 때문에 효율과 안정성이 함께 떨어지기 때문이다.
태양전지 내부에서 정공 이동이 막히면 전자가 효율적으로 흐르지 못해 발전 성능이 급격히 낮아진다.
연구팀은 3차원 다중물리 계산 모사와 초고속 분광 분석을 결합해 실제 태양전지 작동 과정에서 정공 축적과 재결합이 일어난다는 사실을 확인했다.
이어 깊은 에너지 준위를 가진 유기 고분자 ‘PM1’을 도입해 정공이 특정 위치에 머물지 않고 단계적으로 이동하도록 전자구조를 재설계했다.
이는 전하가 한 번에 몰려 병목현상을 일으키지 않고 계단을 따라 이동하듯 자연스럽게 흐르도록 통로 구조를 바꾼 ‘정공 전달 계단구조’ 역할을 한다.
이를 적용한 태양전지는 최고 효율 27.18%, 공인 효율 26.71%를 기록했다.
이는 단일접합 페로브스카이트 태양전지 가운데 세계 최고 수준이다.
안정성도 크게 향상돼 봉지재 없이 85℃ 상대습도 85% 환경에서 3000시간 가동한 결과 초기 효율의 95% 이상을 유지했다.
특히 일반 페로브스카이트 박막이 물과 접촉하면 빠르게 분해되는 반면 연구팀의 하이브리드 구조는 물 침지와 세척 시험에서도 장시간 형태를 유지했다.
연구팀은 아레니우스 수명 예측 모델을 적용해 상온 기준 예상 수명을 계산한 결과 초기 효율 80% 수준까지 감소하는 데 걸리는 시간(T80)은 3만 5590시간으로 4년에 달했다.
이 기술이 봉지재 의존도를 낮춰 초경량 태양광 모듈 제작이 쉬워지고, 유연성과 경량성이 중요한 건물 일체형 태양광(BIPV), 이동형 전원, 드론·우주항공용 전원 등에 적용할 수 있어 차세대 태양광 응용 분야 확대에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
이 교수는 “효율과 안정성 사이 상충 관계를 전자구조 설계로 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다”며 “차세대 페로브스카이트 태양전지 상용화의 중요한 전환점이 될 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 응용과학연구소 이민호 박사, 전기및전자공학부 김민석 박사과정, 한국표준과학연구원 박준호 박사가 공동 제1저자로, 고려대 화공생명공학과 곽상규 교수, KAIST 물리학과 이상민 교수가 공동 교신저자로 수행했고, 연구결과는 18일 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 온라인판에 게재됐다.
(논문명: Hole-Transfer Cascade-Engineered Donor Polymer for Unencapsulated Perovskite Solar Cells with Improved Moisture Stability)
이재형 기자 jh@kukinews.com
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