[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발하는데 성공했다.
한국화학연구원은 전남중 박사가 한국과학기술원(KAIST) 서장원 교수와 공동연구를 통해 기존 흡습성이 큰 도펀트를 대신해 우수한 용해성을 가지는 이온성 액체 형태의 도펀트를 개발해이를 통해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성을 동시에 확보했다고 2일 밝혔다.
연구팀은 신규 도펀트 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지 200cm2 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 달성했다. 활성면적 기준으로는 19.91%를 달성한 세계 최고 수준의 효율이다.
페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있으면서도, 유연하고 훨씬 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 전세계적으로 각광을 받아 왔다.
현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 좁은 면적(~0.1cm2)에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이뤄져 왔다. 따라서 넓은 면적에 동일한 성능을 구현할 수 있어야 하며, 그에 따라 장시간 동안 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 기술 확보가 필수임에도 불구하고, 현재 이러한 안정성과 대면적화에 집중된 연구는 부족한 실정이다.
이러한 문제를 극복하기 위해 ‘도펀트’를 도입했는데 주로 사용돼 온 리튬(Li) 등의 이온 염 기반 도펀트는 전도도를 향상시켜 효율을 증가시킬 수 있었지만, 물과 매우 친한 성질을 지녀 물을 흡수하는 경향이 있었다. 이러한 수분은 페로브스카이트 층 및 정공 수송층을 장기적으로 분해하여 성능을 저해시키는 단점이 있다.
이에 연구팀은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서, 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완하여 효율 및 안정성을 획기적으로 향상하여, 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발했다.
연구팀은 산-염기 반응에 힌트를 얻어 정공 전달 고분자 PTAA에 전도도를 향상시킬 수 있는 ‘산 물질’과 페로브스카이트 표면의 결함을 억제해 안정성을 확보할 수 있는 아민 계열의 ‘염기 물질’을 반응시켜 신규 도펀트를 개발했고 아민의 탄소 원자 수와 농도를 조절해 용액 내에 완전히 분산시켜 성공적으로 200cm2 이상의 대면적에 코팅할 수 있었다.
이를 통해 18.24%의 세계 최고 수준의 효율을 달성했으며 연속광조사 1080시간 후 초기효율 대비 89% 이상, 85℃, 85% 조건 하에서 초기효율 대비 90% 이상을 유지할 수 있었다.
연구팀은 국내 특허 등록 후 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료했으며 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술을 이전해 상용화를 추진할 계획이다.
화학연 이영국 원장은 “소재 및 에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
