울산과학기술원(UNIST)은 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지의 안정성과 효율을 향상하는 첨가제를 개발했다고 3일 밝혔다. 울산과기원에 따르면 박혜성·양창덕 교수 연구팀은 페로브스카이트에 미량의 유기화합물을 첨가해 태양전지의 수분·열·광 안정성을 복합적으로 개선했다.
전지가 태양광을 전기 에너지로 변환하는 효율(광전변환 효율)도 기존보다 17% 이상 향상됐다.
페로브스카이트는 햇빛을 흡수해 전하 입자를 만드는 태양전지의 핵심 소재다. 작은 결정 알갱이들이 뭉쳐진 다결정 구조로 만들기 쉽고 가격이 저렴하지만, 수분이나 열 같은 외부 자극에 약하다.
특히 결정 알갱이 사이의 '경계면 결함'은 이 물질의 안정성을 떨어뜨리는 원인 중 하나다.
마치 보도블록 틈과 같은 경계면 결함을 따라 페로브스카이트가 외부 자극을 받아 분해되는 현상이 가속화되기 때문이다. 또 경계면 결함에서 광 생성 전하 입자들이 사라져 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 떨어진다.
이에 연구팀은 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 전체 경계면 결함을 줄이는 첨가제(Y-Th2)를 개발했다.
이 첨가제는 결정 씨앗 숫자 자체를 줄인다. 결정 알갱이는 씨앗이 먼저 만들어진 후 씨앗이 점점 자라는 방식으로 생기기 때문에 씨앗 숫자를 줄이면 알갱이 하나의 크기를 더 키울 수 있다.
첨가제는 결정을 천천히 자라게 만들어 결정 알갱이 내부 원자가 고르게 배열되고 효율도 높아진다고 연구팀은 설명했다.
개발된 첨가제를 넣은 태양전지는 넣지 않은 태양전지보다 약 17% 향상된 21.5%의 초기 광전변환 효율을 기록했다.
또 외부 자극에 대한 안정성이 복합적으로 향상돼 1천600시간 작동 후에도 전지 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.
첨가제가 들어가지 않은 태양전지는 광전변환 효율이 초기 효율의 30% 이하로 급감했다.
박혜성 교수는 "하나의 첨가제를 이용해 페로브스카이트 소재의 복합 안정성과 광전기적 성질을 모두 개선한 연구"라며 "첨가제는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 기반 광전 소자의 발전에도 기여할 것"이라고 말했다.
연구는 에너지·재료 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)에 10월 30일 자로 온라인 공개됐으며, 출판을 앞두고 있다. 연구 수행은 한국연구재단, 한국동서발전, 한국과학기술연구원, 한국에너지기술평가원의 지원을 통해 이뤄졌다.