[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국에너지기술연구원(KIER, 원장 이창근)은 태양광연구단이 건물 창문이나 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선했다고 21일 밝혔다.
이번 한국에너지기술연구원의 세계 최고 수준에 달하는 반투명 페로브스카이트 태양전지 개발 성공은 에너지 및 재료 분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재돼 공개됐다.
학술지에 게재된 논문명은 “Mitigating Intrinsic Interfacial Degradation in Semi-Transparent Perovskite Solar Cells for High Efficiency and Long-Term Stability”이다.
반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛을 통과시키는 투명전극으로 바꿔야 한다.
이 과정 중 고에너지 입자가 발생해 정공수송층의 성능이 저하되는데 이를 막기 위해 정공수송층과 투명전극층 사이에서 완충 역할을 하는 금속산화물층을 만드는 것이 일반적이다.
이번 연구진의 연구과정을 보면 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작 시 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하의 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다.
이를 통해 정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산이 돼 특성을 저하시키는 전자 구조로 변화된다는 것을 규명했다.
또 산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬산화물(LixOy)로 변환되면 리튬이온의 확산을 차단시켜 소자의 안정성을 높이는 것을 확인했다.
특히 그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 수 있음을 확인했다.
이 연구결과에 의하면 투명전극을 사용하는 페로브스카이트 태양전지 중 세계 최고 효율인 21.68%를 기록했으며 400시간의 장기 보관 조건과 240시간 이상의 작동 환경에서도 모두 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지했다.
이와 관련해 태양광연구단 안세진 박사는 “이번 연구로 반투명 페로브스카이트 태양전지의 독특한 유기물 소재, 금속산화물 계면 열화 현상을 최초로 규명했다”며 “문제를 손쉽게 해결할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 향후 개발 기술의 활용성이 크게 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이번에 개발된 태양전지를 탠덤 태양전지의 상부셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했으며 주성엔지니어링㈜, 독일 율리히 연구소와 협력해 제작한 양면수광형 탠덤 태양전지는 후면에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형 31.5%, 2단자형 26.4%의 높은 기대효율을 달성했다.