페로브스카이트 태양전지를 높은 효율로 장시간 구동할 수 있는 기술이 울산과학기술원(UNIST) 연구진에 의해 개발됐다. 9일 UNIST에 따르면 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 고려대 곽상규 교수팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
연구팀은 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입해 태양전지 소자의 안정성과 효율을 동시에 높였다.
금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛에너지를 받아 전자를 방출하는 광전자 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지를 개발하는 데 중요한 소재다.
다만 TLHP는 납 기반 페로브스카이트보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.
이에 연구팀은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 도입했다.
페릴렌 디이미드는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트 상부층에 삽입돼 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할을 수행해 안정성을 대폭 향상했다.
페릴렌 디이미드를 적용한 소자는 23.21%의 높은 광전변환효율과 함께 60도에서 750시간 작동했을 때 초기 대비 81% 이상 효율을 유지했다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 개발한 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했는데, 외부 전력이 없는 상태에서 약 33.0㎃/㎠의 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 이는 미국 1-sun 조건(100㎽/㎠의 태양 빛이 쪼여지는 조건) 아래 태양광 수소 생산의 최종 목표치보다 높은 수치다.
장성연 교수는 "이번 연구를 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지 소자의 안정성을 획기적으로 증가시켰다"며 "빛 에너지를 전기에너지로 전환하는 것에 그치지 않고 수소와 같이 산업의 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표"라고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials)에 지난해 11월 30일 자에 온라인으로 공개됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받았다.