▲ Advanced Energy Materials 표지논문(2022년 1월)

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지 효율과 안전성을 높이는 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질을 개발했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 에기연)은 고효율 탠덤 태양전지 구현에 필요한 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

탠덤 태양전지는 빛의 이용률을 높이기위해 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대를 가진 태양전지를 적층한 기술이다. 정질이나 CIGS 태양전지의 상부에 단파장 빛 흡수에 적합한 페로브스카이트를 결합해 발전 효율을 크게 높일 수 있다.

기존 페로브스카이트 구조 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 입사되는 상부 층에 정공 수송층이 배치되는데, 입사 빛의 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어졌다. 문제를 해결한 역구조의 페로브스카이트 태양전지는 낮은 기생흡수로 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에서 우수한 호환성을 보이지만, 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지에 비해 효율이 낮다.

이중 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트·실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율 향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다.

태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 문제 해결을 위해 전기화학적으로 매우 안정한 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.

연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

특히, 자리조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트·실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

교신저자인 홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자설계 원리를 제공한다”며 “개발 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 우수성을 인정받아 에너지 분야 최우수 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF 29.368)’1월 표지논문을 장식했다.