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화학연구원, 높은 열안정성에 세계 최고 효율 '페로브스카이트 태양전지' 개발

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등록 2018-07-10 00:01:00
1㎠ 소자 세계 최고 효율 20.9% 공인인증...네이쳐紙에 게재
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【대전=뉴시스】김양수 기자 = 위 왼쪽 그림은 기존 소재(spiro-OMeTAD)를 사용한 페로브스카이트 태양전지와 화학연구원이 개발한 DM을 도입한 태양전지의 에너지 변환 효율성 비교표며 위 오른쪽은 각 해당 태양전지의 온도별 열안정성. 아래 그림은  60∘C에서 DM을 도입한 페로브스카이트 태양 전지의 장기 열안정성.2018.07.09(사진=한국화학연구원 제공)  photo@newsis.com
【대전=뉴시스】김양수 기자 = 국내 연구진이 우수한 열안정성에 세계 최고 수준의 효율을 얻을 수 있는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

한국화학연구원은 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 열안정성을 높이고 1㎠ 소자의 효율이 세계 최고 수준인 20.9%를 기록할 수 있는 태양전지의 새로운 소재를 개발하는데 성공했다고 9일 밝혔다.

 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

 연구팀에 따르면 태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과 실제 태양전지 구동환경에서 높은 온도에 대한 열안정성이 동시에 높아야 하지만 지금까지 페로브스카이트 태양전지 분야서 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기는 어려움이 많았다.

이에 따라 서 박사팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성을 동시에 만족시키는 기술 개발에 착수, 태양전지 단면 중 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발했다.

 모두 3개 층으로 이뤄진 페로브스카이트 태양전지 단면은 물질의 정공을 이동시키는 정공 수송 층이 맨 위에 있고 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층이 있으며 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다.

태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물 층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생하고 이 때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동한다. 정공을 운반하는 이 층을 정공 수송 층이라고 한다.
 
'DM'이라 이름붙여진 연구팀의 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지레벨을 지녔다. 이런 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼친다.
 
개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로 이 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.
 
태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다. 소자 효율을 측정하는 항목에는 개방전압, 단락전류밀도, 성능지수가 있으며 이번 기술은 개방전압을 높일 수 있는 기술로 전압이 높으면 태양전지의 효율이 향상된다.

또한 신규 개발된 소재는 60℃에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보여 기존 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD)가 갖고 있 취약한 열안정성을 극복했다.

이번 연구결과는 네이처 에너지(Nature Energy, IF=46.859) 9일자(현지시간) 온라인판에 게재됐다. 논문 명은 A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells이다.

서장원 박사는 "이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보해 상용화 가능성을 높였다는 데 큰 의미가 있다"며 "앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다"고 밝혔다.

  kys0505@newsis.com
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