▲ 에틸렌 카보네이트를 첨가해 만든 페로브스카이트 태양전지 셀과 모듈의 광전변환 효율(출처: UNIST)

UNIST가 높은 효율을 유지하면서도 고온·고습 환경에서도 안정성을 확보할 수 있는 태양전지 정공수송층 시스템을 개발해 페로브스카이트 태양전지의 실용화에 기여할 전망이다.

UNIST는 탄소중립대학원 김동석 교수팀이 경상국립대학교 이태경 교수팀과 태양전지에 보호 필름을 입히는 고온 공정을 버티는 내열 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 8일 밝혔다.

해당 전지는 25.56%의 높은 초기효율을 보였으며, 85℃, 85% 상대습도에서 1,000시간을 작동한 뒤에도 초기효율의 85% 이상을 유지했다.

페로브스카이트 태양전지는 상용 실리콘 전지보다 이론적으로 태양광을 전기로 전환하는 효율이 높고, 비용이 저렴한 차세대 전지다. 실험실 수준에서는 이미 27%의 효율을 기록해 실리콘 전지를 넘어섰지만, 상용화 단계에 이르지 못한 이유 중 하나는 내열성이다. 야외에서 장기간 작동하는 전지 특성상 전지를 수분, 산소로부터 보호하는 필름으로 감싸야 하는데, 실리콘 전지와 달리 110℃까지 치솟는 공정 온도를 견디지 못하는 것이다.

연구팀은 tBP(4-tert-Butylpyridine)대신 에틸렌 카보네이트(Ethylene Carbonate)라는 물질을 사용해 내열 페로브스카이트 전지를 만들었다. tBP는 태양전지 정공수송층 부분에 넣는 첨가제로, 효율은 올리지만 정공수송층의 액체 상태에 가까워지는 현상인 유리전이 온도를 80℃ 이하로 낮춰 전지가 고온을 견디지 못하게 한다.

에틸렌 카보네이트로 만든 전지는 25.56%의 광전변환 효율(PCE)을 기록했다. 이는 tBP를 쓰지 않는 전지 중에서 세계 최고 수준의 효율이다. 또한 보호 필름을 입히는 봉지(encapsulation) 공정을 거쳤을 때도 효율 저하가 거의 없다.

봉지된 전지를 85℃, 85% 상대습도의 국제 표준조건에서 실험한 결과, 1,000시간 후에도 21.7%의 효율을 유지하는 우수한 내구성을 보였다. 정공수송층의 유리전이 온도도 125℃까지 올라갔다.

전지는 100cm² 면적의 모듈로 제작됐을 때도 22.14%의 높은 효율을 보였는데, 에틸렌 카보네이트가 tBP만큼 리튬비스마이드(LiTFSI) 도핑제를 균일하게 잘 녹일 수 있기 때문이다. tBP는 정공수송층에 LiTFSI를 잘 녹도록 돕는 물질로, LiTFSI가 잘 도핑되면 정공수송층의 전하 전달 성능이 향상돼 전체 태양전지의 효율이 높아진다.

김동석 교수는 “연구를 통해 높은 효율을 유지하면서도 고온·고습 환경에서도 안정성을 확보할 수 있는 태양전지 정공수송층 시스템을 개발했다”며, “이는 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위한 결정적인 진전을 이룬 것”이라고 말했다.