페로브스카이트 태양전지 상용화 걸림돌 내구성을 잡았다

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 김희주·이광희 교수팀은 부산대 화학과 서홍석 교수팀과 함께 열과 빛, 공기 등 장시간 외부환경 노출에도 높은 안정성을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

연구진은 페로브스카이트 태양전지를 보다 간단한 구조로 만들어 20.28%의 에너지전환 효율을 달성했다. 이 태양전지를 실험실 내에서 혹독한 환경을 만들어 테스트를 진행했다.

그결과 85도 이상 열에서 1000시간, 강한 빛에 350시간, 일반 공기에 1500시간 노출해도 초기 성능의 80%를 유지했다.

김희주 교수는 2월 28일 "최악의 실험실 환경을 만들어 얻어낸 이번 결과는 태양전지가 10년 정도를 버틸 수 있다는 것을 의미한다"고 설명했다. 김 교수는 "이 결과를 토대로 올해에는 대면적으로 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실외공간에 설치해 내구성 테스트를 추가로 진행할 예정"이라고 말했다.

용액공정으로 제작되는 페로브스카이트 박막은 높은 결정성을 가지지만 결정과 결정사이, 또는 박막의 표면에 이온 결함들이 존재한다. 페로브스카이트 태양전지가 열, 빛, 공기에 노출됐을 때 표면과 내부에서 상부로 이동한 이온결함들은 상부전극을 부식시켜 태양전지의 성능을 떨어뜨린다.

이는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 최대 걸림돌이다.

연구진은 페로브스카이 태양전지의 안정성을 높이기 위해 페로브스카이트 내부의 이온결함을 흡수하는 초박막 전해질층 적용했다.

새로 개발한 초박막 고분자 전해질은 열적 안정성이 높은 카바졸 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민 작용기를 도입했다. 이 전해질을 윗쪽 전극과 페로브스카이트 층 사이에 매우 얇은 막으로 만들어 넣었다.

이를 적용해 페로브스카이트 태양전지를 만들어 실험실에서 열과 빛, 공기노출 실험을 진행했다. 그결과, 이 새로운 고분자 전해질 층은 페로브스카이트 박막 표면과 내부에 존재하는 이온결함을 효과적으로 흡착하면서도 상부전극과 페로브스카이트 층 사이의 전하이동을 향상시켰다.

또한, 신규 구조의 페로브스카이트 태양전지는 85도의 열에 1000시간 동안 노출해도 태양전지 초기의 성능을 80%이상 유지했다. 이와함께 350시간 동안 빛에 노출시키고, 공기 중에 1500시간 이상 노출 했음에도 안정적으로 태양전지가 작동했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 '저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)'에 지난 2월 2일 온라인 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자