KIST 연구팀, 황철석 활용 고성능 친환경 태양전지 개발

 

아주경제 신희강 기자 = 한국과학기술연구원(KIST)은 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀이 친환경적인 고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

고 박사팀은 기존의 태양전지 구동에 필요한 핵심부분 중 하나인 정공수송층으로 널리 이용되던 유기 물질(spiro-OMeTAD)을 지구상에 풍부한 무기 물질인 황철석 나노입자로 대체해 사용했다.

고 박사팀이 개발한 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지로 최근 몇 년 사이에 전세계적으로 많은 연구가 이뤄지고 있어 기존 태양전지의 유력한 경쟁 후보로 부상하고 있다. 특히 최근 공식적으로 발표된 연구결과에 따르면 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 연구가 시작된지 4년만에 광전변환 효율 22.1%를 달성한 것으로 보고됐다.

그러나 태양전지 제작에 사용되는 정공수송체의 가격과 수분에 취약한 단점으로 인해 상용화에 많은 어려움이 있었다. 이번 연구 결과는 바로 이러한 부분을 보완하는 획기적인 연구로 기대를 모으고 있다.

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태양전지는 빛에너지를 흡수하여 광전자층의 전하와 정공을 분리시키는데 이 때 발생한 정공을 전극쪽으로 원활하게 이동시키기 위한 정공수송층이라는 부분이 있다. 보편적으로 제작되는 페로브스카이트 태양 전지의 정공수송체에 사용되는 유기물질(spiro-OMeTAD)은 합성과 정제가 어려워서 백금이나 금 같은 귀금속의 10배 이상 가격이 비싼 상황이다.

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

고 박사팀은 기존의 전도성 유기 물질(spiro-OMeTAD)을 대체하기 위해 황철석에 주목해 개발한 나노입자를 정공수송층으로 사용했다. 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 확인됐다. 이를 도입해 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록했으며, 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증했다.

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

한편 이번 연구는 KIST 기관고유사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업과 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 9일자에 표지논문으로 게재됐다.