폭염에도 성능 유지…GIST, 태양전지 '고온 열화' 잡았다

산화몰리브덴 이동 억제하는 계면 제어기술 개발

개발 기술 적용시 85도 2000시간 동안 효율 18.1% 유지

PBN 계면 처리에 따른 유기태양전지의 초기 효율과 장기 열안정성 평가. (a) 연구에 사용한 유기태양전지의 구조, (b) PBN·PBtA 및 광활성층 소재의 화학 구조를 나타낸다. (c) PBN을 계면에 적용한 뒤에도 초기 광전변환효율은 약 18.1~18.3 % 수준으로 유지돼 계면 처리에 따른 초기 성능 저하가 나타나지 않았다. (d) 85℃에서 장기 열안정성을 평가한 결과, 미처리(Control) 및 PBtA 적용 소자는 초기에 효율이 급격히 떨어지는 ‘번인 손실(Burn-in loss)’이 나타난 반면, PBN 적용 소자는 번인 손실 없이 2000시간 동안 초기 효율을 거의 그대로 유지했다. (그래픽=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST) 연구진이 고온에서 성능이 급격히 떨어지는 유기태양전지의 열화 원인을 규명하고 이를 억제하는 계면 제어기술을 개발했다.

26일 GIST에 따르면 '세계 최초 페로브스카이트 태양전지 상용화 전략연구사업단' 이광희 단장(신소재공학과 초빙석학) 연구팀이 유기태양전지의 고온 열화 과정에서 산화몰리브덴(MoOₓ)이 광활성층 내부로 이동하는 현상을 확인하고 이를 막는 기술을 개발했다.

유기태양전지는 가볍고 유연하며 낮은 온도에서 제작할 수 있다는 장점이 있지만 열에 취약해 상용화의 걸림돌로 지적 돼왔다.

연구팀은 태양전지의 발전을 담당하는 광활성층보다 전극과 광활성층 사이에서 전하 이동을 돕는 계면에 주목했다.

연구 결과 정공수송층에 사용되는 산화몰리브덴이 85도서 가열하면 원래 위치에서 벗어나 광활성층 내부로 서서히 이동하는 것으로 나타났다.

이 과정에서 전하 이동을 방해하는 결함이 발생하면서 전극으로 전하가 제대로 전달되지 않아 성능이 떨어지는 것으로 분석됐다.

연구팀은 산화몰리브덴의 이동을 막기 위해 산화몰리브덴과 광활성층 사이에 'PBN'이라는 분자를 삽입했다.

그 결과 PBN의 나이트론 작용기가 산화몰리브덴 표면과 강하게 상호작용해 계면을 안정화하고 고온에서 발생하는 산소 결함을 억제했다.

PBN을 적용한 유기태양전지는 85도에서 2000시간이 지난 뒤에도 초기 광전변환효율 약 18.1%를 유지했다.

반면 PBN을 적용하지 않은 소자는 고온 노출 2시간 만에 효율이 약 20% 떨어졌고 24시간 뒤에는 약 25% 감소했다.

특히 초기 성능이 급격히 떨어지는 '번인 손실(Burn-in loss)'도 나타나지 않았다.

(왼쪽부터) '세계 최초 페로브스카이트 태양전지 상용화 전략연구사업단(전략연구사업단)' 이광희 단장, 차세대에너지연구소 강홍규 부소장, 히거신소재연구센터 이산성 박사. (사진=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

이광희 전략연구사업단장은 "유기태양전지가 고온에서 성능이 떨어지는 핵심 원인을 찾아내고 원인이 되는 소재의 움직임을 계면에서 직접 억제할 수 있는 방법을 제시했다는 데 의미가 있다"며 "유기태양전지는 물론 페로브스카이트와 유기-페로브스카이트 탠덤 태양전지의 장기 안정성을 높이는 데에도 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

강홍규 GIST 차세대에너지연구소 부소장은 "소면적 소자에서 확인한 계면 제어기술을 대면적 모듈로 확대하고 장기 신뢰성 평가와 산업계 공동 연구·실증을 거쳐 실제 제품에 적용할 수 있는 기술로 발전시킬 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구에는 GIST를 비롯해 포항공과대학교(POSTECH), 핀란드 오보 아카데미대학교, 스웨덴 린셰핑대학교, 경기대학교, 전남대학교, 한국기초과학지원연구원(KBSI), 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 참여했다.

기후에너지환경부·한국에너지기술평가원 지원사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 지원사업 등의 지원을 받았다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 '스몰(Small)' 온라인에 지난달 31일 실렸다.


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