국내 연구진이 세계 최고 효율의 반투명 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지 개발에 성공했다.
한국에너지기술연구원은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작 때 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하 원인을 찾기 위해 전기 광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용함으로써 건물 창문이나 빛의 이용률을 높이는 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 세계 최고 효율의 반투명 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
효율이 21.68%로 반투명 태양전지 분야 최고이며 240시간 이상 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 뛰어난 안정성까지 나타내는 것으로 알려졌다.
연구진은 정공 수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬 이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속 산화물층으로 확산하고 결국 특성을 저하하는 전자 구조로 변화된다는 것을 규명했으며 정공 수송층의 산화 시간을 최적화해 문제를 해결했다.
산화를 통해 리튬 이온이 안정적인 리튬산화물(LixOy)로 변환되면 리튬 이온의 확산을 차단해 소자 안정성을 높이는 것을 확인한 것으로, 그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혀낸 것으로 추정된다.
연구진은 개발한 태양전지를 탠덤 태양전지 상부 셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 양면 수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했으며 후면에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형(탠덤 태양전지 구조) 31.5%, 2단자형 26.4%의 높은 기대효율을 달성했다.
기대효율은 양면 수광형 태양전지의 성능을 나타내는 지표이며 현재 세계 최고 기대효율은 동일 후면반사 조건에서 4단자형 30%, 2단자형 27% 수준이다.
에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 박사는 “반투명 페로브스카이트 태양전지의 문제를 손쉽게 해결할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 앞으로 활용성이 확대될 것으로 기대한다”고 강조했다.
연구 결과는 에너지·소재 분야 국제 학술지인 Advanced Energy Materials 표지논문으로 게재됐다. (강)