울산과학기술원 교수팀, 태양전지 내구성·효율 향상 기술 개발
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 석상일 특훈교수는 김종범·박재왕 연구원과 함께 페로브스카이트 태양전지의 박막 표면에 양이온의 특이성을 이용한 중간층을 형성하는 방식으로 고효율과 내구성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 상용 실리콘 전지와 달리 얇고 가벼워 건물 외벽이나 차량 지붕처럼 곡면이 있는 곳에도 적용할 수 있으며, 용액 공정으로 상온에 쉽게 제작할 수 있어 제조 비용도 낮다. 그러나 상용화를 위해서는 높은 효율을 오랫동안 유지할 수 있게 하는 기술 개발이 중요했다. 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트라는 물질을 광흡수 소재로 쓰는 전지다. 광흡수 소재가 빛을 받아 만든 전하 입자가 전극으로 전달되면서 전기에너지가 생성되는 원리다. 이 광흡수 소재의 결함을 억제하는 것은 전하 입자를 전극으로 효과적으로 전달해 전지 효율을 높이기 위해 필수적이다. 이를 해결하기 위해 기존에는 단일 유기 양이온을 사용하는 연구가 진행됐지만, 단일 유기 양이온의 이탈로 인한 박막 구조 붕괴와 에너지 준위 부조화라는 문제가 있었다. 에너지 준위는 전하가 이동하는 '계단'과 같은 경로로, 층간 에너지 준위가 어긋나면 전하 손실이 발생해 전지 효율이 떨어진다. 연구팀은 두 종류의 유기 양이온을 함께 사용해 열적으로 안정적인 중간층을 설계했다. 전자를 끌어당기는 힘이 다른 두 물질의 분자 간 상호 작용을 통해 계면 구조가 안정화되고, 정공 전달이 쉬운 에너지 준위가 자연스럽게 유도될 수 있었다. 페로브스카이트 박막 내 결함 농도도 줄어들어, 결함으로 인한 전하 손실 역시 크게 개선됐다. 이 중간층 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 전기로 전환하는 효율이 상용 실리콘 전지의 최고 효율에 버금가는 26.3%를 기록했고, 2023년 미국 재생 에너지연구소에서도 세계 최고 효율 25.82%로 공인했다. 또 전지를 상온에 9000시간 보관했을 때도 100% 가까이 성능을 유지하는 높은 안정성을 보였다. 김종범 연구원은 "이번 기술은 간단한 용액 공정만으로 안정적인 계면층을 형성해, 페로브스카이트 태양전지의 내구성과 제조 효율을 동시에 개선할 수 있다는 데 의미가 있다"며 "유기 암모늄 양이온의 조합을 이용하는 새로운 방식은 잠재력이 무궁무진하다"고 말했다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 28% 이상의 초고효율과 고내구성을 모두 만족하는 페로브스카이트 태양전지의 개발을 목표로 하고 있으며, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위한 연구를 지속해 나갈 계획이라고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 셀의 주요 자매지인 줄에 지난 17일 온라인 공개됐다.
