납 없는 차세대 태양전지 상용화에 한걸음 더 … 고려대 박혜성 교수팀, 주석 기반 전지 성능·안정성↑

고려대학교는 융합에너지공학과 박혜성 교수 연구팀이 주석(Sn) 기반 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 높일 수 있는 계면 제어 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

주석 기반 태양전지는 환경에 해로운 납(Pb)을 대체할 소재로 주목받고 있다. 하지만 산화되기 쉬워 태양전지의 효율과 수명이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 또한 주석계 페로브스카이트와 함께 사용되는 정공수송층(태양전지 내부에서 생성된 전하 중 정공을 선택적으로 이동시켜 전극으로 전달하는 중간층) 소재 'PEDOT:PSS'는 전도성은 높지만, 공기 중 산소와 습기에 약해 장시간 안정적인 작동이 어렵다는 단점이 있다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 템폴(4-hydroxy-TEMPO)이라는 라디칼 제거제를 계면에 삽입해 산화 방지와 구조 안정화를 동시에 구현했다. 템폴은 산소나 자외선 등으로부터 생기는 라디칼을 없애 주석의 산화를 억제하고, 페로브스카이트 결정 성장을 제어함으로써 균일한 박막 구조를 유도했다.

템폴을 도입한 태양전지는 효율이 11.08%에서 13.42%로 향상됐다. 장시간 빛과 공기에 노출된 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 내구성도 우수했다.

박 교수는 "이번 연구는 주석계 태양전지에서 가장 큰 난제로 여겨졌던 산화 안정성과 계면 결함 문제를 동시에 해결할 접근법을 제시한 것"이라며 "납 없는 차세대 태양전지 개발을 위한 실질적인 기술적 기반을 마련했다"고 말했다.

이번 연구 성과는 저명한 국제 학술지 '에너지·환경 과학(Energy & Environmental Science)' 온라인에 지난달 7일 게재됐다. 박 교수가 교신저자, 정승온 박사가 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 나노·소재기술개발사업, 개인기초연구 중견연구자지원사업과 산업통상자원부가 추진하는 에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.