25cm2 대면적 모듈 페로브스카이트 태양전지와 효율
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕 교수와 한국에너지기술연구원 김동석·이찬우 책임연구원 공동 연구팀이 모듈 형태로 크기를 키운 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율 기록을 경신했다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지용 유기물 신소재를 개발한 후 상용화의 걸림돌이었던 큰 크기의 전지에서의 고효율을 유지하는데 성공했다.
신소재를 사용한 페로브스카이트 태양전지는 모듈 형태로 확장했을 때도 21.83%의 높은 효율을 기록했다.
페로브스카이트 소재 태양전지 가운데 세계 최고 기록으로 장기안정성과 내열성 문제도 크게 개선시켰다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층(HTM)용 유기 소재를 개발했다.
전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나인 정공수송층은 태양광 생성 전하입자를 전극으로 전달하는 중요한 역할을 한다.
전하입자 전달 성능을 끌어올리기 위해 넣는 첨가제로 인해 기존 소재는 수분과 열에 취약했다.
개발된 정공수송층 소재는 수분과 열에 강하다.
초고효율 태양전지에 쓰이던 spiro-OMeTAD 소재와 비슷하지만 분자 구조 말단에 나프탈렌 구조가 붙어있는 차이점이 있다.
나프탈렌 구조를 분자 구조에 넣게 되면, 소수성이 강화돼 수분흡수를 잘 막는다.
분자끼리의 상호작용도 커져 전하 전달 성능이 더 좋아지고 유리전이 온도도 높일 수 있다. 유리전이는 소재 성질이 고무에 가까워지는 변화가 발생하는 현상으로, 이때 최적화되어 있던 분자 배열이 망가져 정공 전달 성능이 떨어지게 된다.
개발된 정공수송층 소재를 적용한 페로브스카이트 전지는 60℃ 이상의 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험과 2,000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서도 기존 소재 대비 월등한 성능을 보였다.
전지 크기를 25㎠ 확장해 모듈 형태로 제작했을 때도 21.83%의 고효율을 달성해 모듈의 광전변환효율 중 세계 최고를 기록했다.
이번 연구는 나프탈렌 구조 첨가(도입)라는 소재 설계 전략을 통해 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 열 안정성 문제를 극복한 것이라는 평가를 받고 있다.
연구 결과는 광전자공학 국제학술지 ‘네이쳐 포토닉스(Nature Photonics)’에 17일자로 게재됐다.
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