아주대 김종현 교수팀, 페로브스카이트 태양전지 효율 높일 계면소재 개발 … 실내조명 환경서도 에너지변환 극대화

아주대학교는 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 김종현 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 에너지 변환효율을 높이고 안정성까지 확보할 수 있는 신소재 개발에 성공했다고 30일 밝혔다.

이번에 개발된 새로운 계면소재(DTAQTPPO)는 다양한 태양전지 구조에 적용할 수 있고 실내·외 모든 광환경에서 태양전지의 효율을 개선할 수 있다.

이번 연구는 부경대 고분자·화학소재공학부 장재원 교수, 호주 뉴사우스웨일즈대학·영국 서리대학의 윤재성 박사 연구팀과 공동으로 진행했다.

페로브스카이트 태양전지는 현재 대세인 실리콘 태양전지를 대체할 소재로 손꼽힌다. 실리콘 태양전지의 에너지 변환효율이 이론적 한계에 가까워짐에 따라 고효율 페로브스카이트 태양전지가 게임체인저로 주목된다.

페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 효율이 매우 뛰어나고 전하(전류의 흐름을 만드는 입자) 이동 성능이 우수하다. 특히 용액상의 재료를 사용해 필름 형태로 태양전지를 만들 수 있는 용액 공정이 가능해 큰 면적으로도 생산할 수 있다. 실리콘 태양전지보다 제조비용을 크게 줄일 수 있다.

하지만 용액 공정으로 페로브스카이트 필름을 만들 때, 재료의 결정 구조가 완벽하지 못한 결함이 발생한다. 이 결함들은 전하의 원활한 이동을 방해해 태양전지의 에너지 변환 효율을 떨어뜨리는 주된 원인이다. 이를 극복하기 위해 다양한 계면소재 개발 연구가 잇따랐다.

공동 연구팀이 이번에 개발한 계면소재는 페로브스카이트 표면에 형성된 결함 부위에 직접 결합해 문제를 효과적으로 제거한다. 또한 양극성(Ambipolar) 특성을 보여 전자와 정공을 모두 효과적으로 수송하는 장점이 있다. 이는 마치 고속도로에서 양방향 통행이 가능한 것처럼, 전류가 흐르는 데 필요한 두 가지 종류의 전하를 동시에 빠르게 이동시킬 수 있는 원리다. 전자수송층, 정공수송층으로 모두 기능할 수 있어서 정구조·역구조 등 다양한 종류의 페로브스카이트 태양전지 구조에 보편적으로 적용할 수 있다.

이 소재는 실외의 강한 태양광 환경에서 에너지 변환효율을 22.29%에서 23.55%로 높였다. 실내조명 환경에서도 31.19%에서 37.18%로 극대화했다. 태양전지의 장기적인 안정성도 크게 개선했다.

김종현 교수는 "이번 연구로 다양한 구조와 광환경에서 페로브스카이트 태양전지의 에너지 변환 효율을 극대화하는 기술을 개발할 수 있게 됐다"며 "태양전지뿐만 아니라 디스플레이, 광검출기 등 다양한 광전소자의 성능 개선에 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지 분야의 세계적인 학술지 '첨단 에너지 소재(Advanced Energy Materials)'에 표지논문으로 실렸다.

이번 연구는 한국연구재단의 해외우수연구기관 협력허브 구축사업의 지원을 받아 수행됐다. 해당 기술은 특허 등록됐다.