▲ 금속이온 확산에 대한 화학적 장벽 역할을 하는 페릴렌 디이미드 분자를 활용해 안정성이 향상된 광전기화학 장치(주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 광전극 및 카본나노튜브/흑연질탄소 양극)의 개략도

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발, 높은 효율로 장시간 구동 가능해 페로브스카이트 태양전지 상용화와 그린 수소 생산 기술에도 영향을 미칠 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 주석-납 할로겐화합물 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 9일 밝혔다.

주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입했다. 태양전지 소자의 안정성과 효율을 동시에 향상하는 획기적인 기술이다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 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 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.

연구팀은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 도입했다. 페릴렌 디이미드는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다.

페릴렌 디이미드를 적용한 소자의 경우, 높은 광전변환효율(23.21%)을 보임과 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지하며 높은 안정성을 보였다.

연구팀은 개발된 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. TLHP 기반의 광전극을 농업폐기물과 같은 목질계 바이오매스 분해 과정에서 나오는 전자를 활용했다.

외부 전력이 없는 상태에서 약 33.0mA/cm2(~3.42×10-6 kg·s-1·m-2)의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 이는 미국 에너지부의 1-sun 조건 100mW/㎠의 태양빛이 쪼여지는 조건 아래 태양광 수소 생산의 최종 목표치보다 높은 수치다.

장성연 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구를 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 큰 이슈 중 하나였던 소자의 장기안정성을 획기적으로 증가 시켰다. 우리는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것에 그치지 않고 수소와 같이 산업의 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표”라고 설명했다.

한편, 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 11월 30일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.