200도 온도 변화에도 정상 작동하는 태양전지 소재 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 분자의 연결 위치 하나를 바꾸는 것만으로 영하 100도에서 영상 100도의 온도 변화에도 정상 작동하는 태양전지 소재가 개발됐다.

한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수와 신소재공학과 송명훈 교수 공동연구팀이 자기조립단분자막(SAM)의 분자 연결 위치를 조절해 전극 위에서 치밀하고 안정적으로 배열되는 계면소재 'LY-m'을 개발했다고 3일 밝혔다.

SAM은 특정 분자들이 기판 표면에 스스로 결합하고 정렬해 형성하는 분자 한 층 두께의 매우 얇은 막이다. 페로브스카이트 태양전지의 결함을 없애고 전하 이동을 극대화하는 결정적 역할을 하는 물질로 꼽힌다.

페로브스카이트 태양전지 연구에서 전하를 수송하는 층의 위아래 구조를 반대로 뒤집은 역구조 방식은 효율 및 안정성 극대화 측면에서 주목받고 있다.

역구조 소자에서 투명전극(ITO)과 페로브스카이트 흡수층 사이의 계면은 전체 태양전지 성능을 좌우하는 핵심 부위다.

이때 SAM이 계면 내 정공수송층으로 널리 쓰이지만, 분자들이 고르게 배열되지 않거나 열을 받으면 태양전지의 에너지 손실이 크고 장기 안정성이 떨어질 수 있다.

기존 SAM 연구에서는 이를 개선하기 위해 화학구조와 전기적 특성을 동시에 바꾸는 경우가 많아 연결 위치 자체가 계면 성능에 미치는 영향을 알기 어려웠다.

연구팀은 SAM 분자의 기본 구조는 유지한 채 중간 연결고리의 위치만 바꾼 세 가지 이성질체를 합성했다. 이를 페로브스카이트 계면에 적용한 결과, 메타 위치에 연결된 LY-m 분자가 가장 뛰어난 특성을 보였다.

LY-m 분자는 투명전극 기판 위에 기울어진 형태로 촘촘하고 균일한 막을 형성해, 세 이성질체 중 가장 큰 결합 에너지를 보이는 동시에 결함을 최소화하는 경향을 나타냈다.

실제 역구조 페로브스카이트 태양전지 소자에 적용한 결과 LY-m은 최고 광전변환효율 26.39%라는 초고효율을 달성했다. 특히 영하 100도와 영상 100도를 각각 30분씩 반복하는 극한 열순환 시험에서 작동을 멈추지 않고 약 9%의 효율 감소만으로 정상 작동했다.

양 교수는 "이번 연구는 우주·항공처럼 극심한 온도 변화가 예상되는 환경에서의 태양전지 적용 가능성을 높였다"고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 게재됐다.

jongseo12@news1.kr