울산과학기술원(UNIST) 김동석 교수팀이 경상국립대학교 이태경 교수팀과 태양전지에 보호 필름을 입히는 고온 공정을 견디는 내열 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

이 전지는 초기 효율 25.56%를 보였으며 85℃, 85% 상대습도에서 1000시간 작동 후에도 초기 효율의 85% 이상을 유지했다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 전지보다 효율이 높고 저렴한 차세대 전지다. 실험실에서는 이미 27% 효율을 기록했지만, 상용화되지 못한 이유 중 하나는 내열성 때문이다. 야외 작동 특성상 보호 필름이 필수인데, 실리콘 전지와 달리 110℃ 고온을 견디지 못한다.

연구팀은 tBP 대신 에틸렌 카보네이트를 사용해 내열 페로브스카이트 전지를 만들었다. tBP는 효율은 높이지만, 정공수송층의 유리전이 온도를 80℃ 이하로 낮춰 고온에 취약하게 만든다. 유리전이는 정공수송층이 액체 상태에 가까워지는 현상이다.

에틸렌 카보네이트로 만든 전지는 25.56%의 광전변환 효율을 기록했다. 이는 tBP를 쓰지 않은 전지 중 세계 최고 효율이다. 보호 필름을 입히는 봉지 공정 후에도 효율 저하가 거의 없었다.

봉지된 전지는 국제 표준 조건에서 1000시간 후에도 21.7% 효율을 유지하는 뛰어난 내구성을 보였다. 정공수송층의 유리전이 온도도 125℃까지 상승했다.

이 전지는 100㎝² 면적 모듈에서도 22.14%의 높은 효율을 나타냈다. 에틸렌 카보네이트가 tBP만큼 LiTFSI 도핑제를 균일하게 잘 녹이기 때문이다. tBP는 LiTFSI가 잘 도핑되도록 돕고, 이는 정공수송층의 전하 전달 성능을 향상시켜 전체 태양전지 효율을 높인다.

김동석 UNIST 교수는 "이번 연구로 고효율 유지와 함께 고온·고습 환경에서도 안정적인 태양전지 정공수송층 시스템을 개발했다"며 "이는 페로브스카이트 태양전지 실용화의 중요한 진전"이라고 말했다.

이번 연구에는 신윤섭 UNIST 박사, 이재휘 UNIST 석·박사 통합과정 대학원생, 이동규 경상국립대학교 석·박사 통합과정 대학원생이 제1저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 산업통상자원부의 지원으로 수행됐다.

연구 결과는 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science, IF 32.4)에 지난 7일 게재됐다.