‘차세대 태양전지’로 각광받는 페로브스카이트 태양전지는 열안정성과 수분에 대한 안정성을 해결해야 하는 과제가 있다. 광전(光電)변환효율을 높이는 데는 정공전달물질에 첨가제가 사용되는데, 이 때문에 수분 안정성이 떨어져 첨가제가 필요 없는 정공전달층을 형성하는 게 연구계 화두였다.

부산대학교는 화학교육과 진성호 교수팀과 재료공학부 조영래 교수팀이 한국에너지기술연구원과 공동연구를 통해 첨가제가 필요 없는 전도성 고분자 정공전달물질을 도입했다고 5일 밝혔다. 이 물질 도입시 페로브스카이트 태양전지의 전력변환효율은 23.07%이며, 수명은 1000시간에 달하는 것으로 확인돼 관련 분야 연구가 새로운 국면에 접어들 것으로 보인다.

페로브스카이트 태양전지는 빛을 받아 전류를 발생시키는 광활성층이 페로브스카이트 물질로 이루어진 전지를 말한다. 페로브스카이트층은 전지 내 전자전달층과 정공전달층 사이에 위치하며, 전자전달층은 페로브스카이트에서 형성된 전자를 음극으로 전달하고, 정공전달층은 정공을 양극으로 원활하게 전달해 전류를 발생시키는 방식이다. 

다만 기존 페로브스카이트 태양전지는 정공전달물질로 스파이로-오엠이테드(spiro-OMeTAD)를 사용해 왔는데, 이 물질은 정공이동도를 높이기 위해 첨가제 사용이 필수적이다. 이에 첨가제가 도입된 정공전달층은 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 최대로 높여주지만, 안정성을 저하시키는 주된 요인이 되기도 한다. 

첨가제로 주로 사용되는 리튬 이온염인 Li-TFSI는 광전변환효율은 높여주지만, 흡습성과 불안정성을 갖고 있어 장기적 안정성을 저하시키는 단점이 있다. 이에 첨가제 없이 광전변환효율을 달성할 새로운 물질 개발이 필요한 상황이었다. 

부산대 연구팀은 정공전달층에 첨가제가 필요 없는 전도성 고분자인 Nap-SiBTA를 도입한 결과, 첨가제가 사용된 기존 스파이로-오엠이테드 기반 페로브스카이트 태양전지와 동일한 광전변환효율을 확인했다.

연구에 따르면 부산대 연구팀의 개발 전지는 23.07%의 우수한 전력변환효율을 달성했으며, 장기 안정성도 1000시간 이상 유지됐다. 

연구를 주도한 부산대 화학교육과 진성호 교수(교신저자)는 “이번 연구가 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기고, 우리나라의 해당분야 기술경쟁력 강화에 크게 기여할 것”이라고 말했다. 

한편 이번 연구는 2018년 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업의 지원을 받았고, 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구진과 함께 공동연구로 수행됐다. 해당 논문은 에너지 분야의 세계적인 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials’ 11월 28일자에 게재됐다.

김지혜 기자 wisdom@busaneconomy.com