▲ 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 실린 논문 표지 이미지.

국내 연구진이 태양전지의 핵심부분인 정공수송층을 값싸고 풍부한 원석으로 대체해 친환경, 고성능, 고안정성을 만족하는 태양전지 개발에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)은 24일 고민재 광전하이브리드연구센터 박사팀이 태양전지 구동의 핵심부품인 정공수송층을 황철석 나노입자로 대체하고 이를 이용한 친환경적인 고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 최근 공식적인 연구결과에 따르면 효율이 22.1%를 달성하기도 하며 전세계 적으로 활발한 연구가 이루어 지고 있지만 태양전지내의 전류를 생성에 도움을 주는 정공수송체의 가격과 수분에 약한 단점으로 상용화에 많은 어려움을 겪고 있다.

보편적으로 제작되는 페로브스카이트 태양전지의 정공수송체에 사용되는 유기물질(spiro-OMeTAD)은 합성과 정제가 어려워서 백금이나 금 같은 귀금속 보다 10배 이상 가격이 비싼 상황이다.

가격이 비싼 정공 수송체를 상대적으로 가격이 저렴한 무기 물질을 대체하는 연구도 진행 되었으나 광흡수 층인 페로브스카이트 물질과 무기 정공수송체간의 계면에서 화학 반응이 일어나 전지가 손상되어 장시간 작동이 불가능했다.

또한 유무기 복합 페로브스카이트는 물에 취약하여 대기 중에 존재하는 수분에도 쉽게 손상되므로 성능이 지속적으로 유지되지 않는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 고전도성, 소수성을 띄는 황철석 나노입자f를 정공수송체에 사용했다. 풍부한 자원량으로 가격경쟁력을 갖추며 표면성질을 개질하여 페로브스카이트 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아 화학적 안정성 및 소수성(수분으로부터의 안정성)을 확보했다.

KIST 고민재 박사 연구팀은 기존의 전도성 유기 물질(spiro-OMeTAD)을 대체하기 위해 황철석에 주목하여 개발한 나노입자를 정공수송층으로 사용하였다.

황철석은 지구상에 풍부하여 채굴 중 많이 발견되며 노란 광택 때문에 금으로 착각되기도 한다. 서양에서는 소위 ‘바보들의 금‘이라 불린다. 연구팀이 개발한 표면을 개질한 신규 무기물질은 주로 방수제의 원료로 사용되는 옥타데실아민(Octadecylamine)이란 물질로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층 제작이 가능하다.

또한 이렇게 합성된 물질은 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것이 실험을 통해 확인하였고, 이를 도입하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록하였다. 또한 연구팀은 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증하였다.

연구책임자인 고민재 박사는 “이번에 개발된 신규 무기 소재는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 안전성 향상에 지대한 기여를 하였고, 차세대 태양전지의 상업화를 앞당겼으며, 광 흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기의 전극 등 중요 부품으로 활용되어 자리 잡을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 KIST 기관고유사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업과 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 11.8) 8월 9일자 표지논문으로 게재됐다.