9일 한국연구재단은 울산과기대(UNIST) 김진영ㆍ한양대 최효성 교수팀이 미국 샌타바버라 캘리포니아대와 함께 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층(hole transport layer) 소재를 새로 개발해 수명은 약 3배, 효율은 10% 이상 높였다고 밝혔습니다. 정공수송층이란 태양전지에서 흡수된 태양광으로 만든 정공(전자가 빠져나간 빈구멍)을 투명전극으로 옮겨주는 층을 일컫습니다.
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| (A) 정공 수송층으로 PEDOT:PSS 또는 CPE-K 공액 고분자 전해질이 도입된 반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 소자 구조. (B)에너지 밴드 다이어그램. (C) 전류밀도-전압 (J-V) 곡선. (D) 소자안정성 비교 그래프. [사진=한국연구재단 제공] |
페로브스카이트 부도체와 반도체, 도체 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물입니다. 햇빛을 받으면 전자와 정공을 생성, 전기를 생산하는 소자로 현재 산업화 돼 있는 실리콘 태양전지를 대체할 미래 소자로 주목받고 있죠.
페로브스카이트를 광흡수층으로 사용한 태양전지는 실리콘 태양전지보다 제작단가가 매우 낮으면서 효율은 비슷한 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있습니다. 또 전자 전달체와 정공수송층 위치를 맞바꾼 역구조 페로브스카이트 태양전지는 고효율 플렉서블 전지로도 만들 수 있습니다.
그러나 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지에서 정공수송층으로 널리 쓰이는 소재(PEDOT:PSS)는 강산성으로 빛을 흡수하는 면(광흡수층)을 부식시켜 소자 수명을 단축하는 문제가 있습니다.
이에 연구진은 새로운 정공수송층 소재로 하는 중성 고분자물질(CPE-K)을 개발, 광흡수층의 부식을 억제해 소자의 수명을 약 3배 늘렸습니다. CPE-K는 전지를 제작했을 때 균일한 결정을 형성시킬 수 있어 정공 수송 속도를 기존 대비 60배 빠르게 하고 전지 효율도 10% 이상 높이는 것으로 나타났습니다.
최 교수는 “페로브스카이트 태양전지 소재 개발에 중점적인 연구투자가 이루어진다면 우리나라가 관련 분야에서 독보적인 원천기술을 확보할 수 있을 것”이라고 말했습니다. 연구 결과는 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications·6월 17일자) 온라인판에 게재됐습니다.
dsun@heraldcorp.com
