울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수팀과 고려대학교 민한울 교수팀이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 3배 이상 연장하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

연구진은 기존 액상 첨가제 tBP를 대체하는 고체 첨가제 4CP를 개발해 26.2%의 광전 변환 효율과 3000시간의 장기 안정성을 동시에 확보했다.

기존에 사용되던 tBP(4-tert-butylpyridine)는 태양전지 내 리튬 이온을 균등하게 분산시켜 광전 변환 효율을 높이는 역할을 한다. 하지만 액체 상태여서 고온에서 쉽게 증발하며, 이 과정에서 리튬이온이 제대로 고정되지 못해 전지 내부에 부산물과 핀홀이 발생한다. 이는 태양전지 성능 저하의 주된 요인이었다.

새롭게 개발된 4CP (4-(N-carbazolyl)pyridine)는 고체 형태로 휘발성이 없어 이같은 문제를 원천적으로 해결할 수 있다. 고온에서도 안정적이며 구성층 사이의 계면을 균질하게 만들어 전하 이동을 원활하게 돕는다.

실험 결과 4CP를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 26.2%의 광전 변환 효율을 달성했다. 공인 효율은 25.8%로 기록됐다. 장기 안정성 측면에서는 더 뛰어난 성과를 보였다.

기존 tBP 기반 전지가 1000시간 안에 초기 성능의 60% 수준으로 떨어진 반면, 4CP 기반 전지는 3000시간 이상 초기 효율의 80%를 유지했다.

극한 환경에서의 성능도 입증됐다. 85℃에서 400시간 이상 초기 효율의 80%를 유지한 반면, 같은 조건에서 tBP 사용 전지는 1밤 8시간 만에 출력이 절반 이하로 감소했다. -80℃와 80℃를 오가는 온도 스트레스 테스트를 200회 반복한 후에도 초기 효율의 90% 이상을 보존했다.

공동 연구팀은 "공정은 그대로 두고 첨가제만 바꿔도 차세대 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점인 수명 문제를 효과적으로 해결할 수 있음을 입증한 연구"라며 "극심한 온도 변화에도 성능이 유지된 만큼 우주 등 극한 환경에서도 페로브스카이트 태양전지를 활용할 수 있는 토대를 마련했다"고 밝혔다.

연구팀은 "기존 제조 공정과도 호환되기 때문에 양산 전환 장벽이 낮은 것도 기술의 장점"이라며 "상용화를 위해 대면적 모듈을 만들어 성능을 검증해 나갈 계획"이라고 덧붙였다.

이번 연구에는 양상진 UNIST 연구원, 김기훈 고려대학교 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처 자매지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 9월 10일 게재됐다.