태양전지 신소재 개발…수명 3배·효율 10%↑

국내 연구팀 관련 기술 개발

▲정공 수송층으로 'PEDOT:PSS' 또는 'CPE-K' 공액 고분자 전해질이 도입된 반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 소자 구조.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 차세대 태양전지의 수명과 효율을 높일 수 있는 신소재가 개발됐다.

국내 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지 상용화에 한걸음 더 나아갔다. 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층 소재를 새롭게 개발해 수명은 약 3배, 효율은 10% 이상 향상시켰다. 정공수송층 (hole transport layer)이란 태양전지에서 흡수된 태양광으로 만든 정공(전자가 빠져나간 빈구멍)을 투명전극으로 옮겨주는 층을 말한다.

페로브스카이트를 광흡수층으로 한 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지 보다 제작단가가 획기적으로 낮고 효율도 비슷한 수준으로 유지할 수 있다. 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 전지 내에서 전자 전달체와 전공 수송층의 위치를 맞바꾼 역구조 페로브스카이트 태양전지는 고효율의 플렉서블한 제작도 가능하다.

기존 역구조 페로브스카이트 태양전지에서 정공수송층으로 널리 쓰이는 소재(PEDOT:PSS)는 강산성으로 빛을 흡수하는 면(광흡수층)을 부식시켜 소자 수명을 단축시켰다. 연구팀은 새로운 정공수송층 소재로 중성의 'CPE-K' 물질을 개발해 광흡수층의 부식을 억제함으로써 소자의 수명을 약 3배 늘렸다. CPE-K는 전지를 제작했을 때 균일한 결정을 형성시킬 수 있어 정공 수송 속도를 기존 대비 60배 빠르게 하고 전지의 효율도 10% 이상 높였다.

CPE-K는 저온 용액 공정이 가능해 종이에 인쇄하듯 소자를 대량 생산할 수 있어 플렉서블 역구조 페로브스카이트 태양전지 상용화를 크게 앞당길 것으로 보인다.

울산과학기술대학(UNIST) 김진영 교수(교신저자)와 한양대학교 최효성 교수(제1저자)가 주도하고 미국 캘리포니아주립대학교 산타바바라 분교와 공동으로 수행했다. 연구 논문은 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 6월 17일자(논문명: Conjugated polyelectrolyte hole transport layer for inverted-type perovskite solar cells)에 실렸다.

김진영 교수는 "이번 연구는 모든 박막 광전자소자에 적용 가능한 원천기술로 차세대 광전자소자 개발에서 선도국과의 격차를 줄일 수 있을 것"이라고 말했다. 최효성 교수는 "페로브스카이트 태양전지 소자 제작 분야에서 가장 앞서나가고 있는 우리나라에서 소재 개발 분야에도 중점적인 연구투자가 이루어진다면 관련 분야에서 독보적인 원천기술을 확보할 수 있을 것"이라고 설명했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr