에너지기술연구원, 두종류의 태양전지 결합 안정성 향상 기술 개발
페로브스카이트와 실리콘 태양전지 결합한 탠덤태양전지 효율 향상
연구진이 이 기술을 이용해 탠덤 태양전지를 만들어 실험한 결과, 22.4% 이상의 고효율을 달성했다. 이는 기존기술로 만든 태양전지 효율 18.95%보다 높은 수치다. 또한 100시간 동안 안정적으로 전기를 만들어냈다.
홍성준 박사는 "이번 성과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라, 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 탠덤 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.
기존 페로브스카이트 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 들어오는 상부 층에 정공수송층을 배치한다. 이곳에서 들어오는 빛의 일부를 흡수해 효율이 떨어진다.
이 문제를 해결하기 위해 구조를 뒤집어 만든다. 즉 페로브스카이트 광흡수층을 가운데 두면서 전자수송층과 정공수송층의 위치를 역순으로 바꾼 것이다.
이렇게 하면 빛이 중간에 흡수되는 양이 적어져 실리콘 태양전지의 효율을 높일 수 있지만 윗쪽에 있는 페로브스카이트양전지는 효율이 떨어진다.
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정하고 염료나 의약물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용했다. 이를 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 만들었다.
연구진은 페노티아진 물질을 원료로, 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다. 이 정공수송물질을 불소가 첨가된 주석산화물로 이뤄진 투명 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막을 만들어낸 것이다.
이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질에 비해 가시광 영역에서 중간에 빛이 흡수되는 일이 거의 일어나지 않았다.
또한 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어한 것이다. 뿐만아니라 광흡수층과 우수한 에너지 레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성을 크게 향상시켰다.
이번 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 분야 최우수 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'의 1월 표지논문을 장식했다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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