태양전지 '효율·수명' 동시 확보…"딜레마 해결"

태양전지의 딜레마인 효율과 수명을 동시에 확보할 수 있는 방안이 국내에서 제시됐다. 페로브스카이트 태양전지 표면 보호막의 내부 구조를 정밀하게 제어해 고효율과 장기적 안정성을 충족하는 것이 핵심이다.

KAIST는 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀이 한국화학연구원과 공동연구로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 충족시킬 '2차원 보호막 설계 기술'을 개발했다고 24일 밝혔다.

AI 생성 이미지. KAIST

기존에는 3차원(3D) 페로브스카이트 결정 위에 2차원(2D) 층을 덧입히는 '3D/2D 구조' 전략이 주로 사용됐다. 이는 태양전지 표면의 결함을 줄이고, 안정성을 높이는 방법으로 인식됐다. 하지만 2차원 층의 구조가 견고하지 않을 때는 시간이 지나면서 구조가 변형되거나 성능이 점차 저하될 수 있다는 한계를 드러냈다.

이를 해결하기 위해 공동연구팀은 구조적으로 보다 안정적인 '디온-재콥슨(Dion-Jacobson·DJ)' 구조의 2차원 페로브스카이트 보호막을 도입하고, 보호막 내부에서 페로브스카이트 층이 몇 겹으로 쌓였는지를 의미하는 'n 값'을 정밀하게 제어하는 설계 전략을 적용했다.

DJ 구조는 페로브스카이트 층 사이를 유기 분자가 양쪽으로 단단하게 연결해 구조적 안정성을 높이는 방식이다. 벽돌 사이를 더 강한 접착제로 묶어 구조가 쉽게 무너지지 않도록 하는 것과 같은 원리다.

(상단) 전 한국화학연구원 문찬수 박사, (왼쪽부터) 한국화학연구원 전남중 박사, KAIST 이재희 석박통합과정생, KAIST 나하진 석사과정생, KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수. KAIST

공동연구팀은 벽돌을 쌓은 후 접착제가 굳는 과정에서 온도와 시간을 조절하면 벽돌이 더 단단하고 정돈된 구조로 자리 잡는다는 것에 착안해 열처리 조건을 조절해 2차원 보호막 내부에서 페로브스카이트 층이 쌓이는 구조(n 값)를 원하는 방향으로 제어했다.

이 과정에서 전하 이동이 원활해져 태양전지 효율이 높아지는 동시에 DJ 구조의 견고함으로 장기 안정성 역시 개선되는 것을 확인했다.

또 열처리 과정에서 서로 다른 물질이 만나는 계면에서 구조가 재배열돼 2차원 보호막의 내부 구조가 변화한다는 사실을 실험적으로 규명, 보호막 구조를 조절할 수 있는 원리와 재현 가능한 공정 조건을 제시했다.

이 설계 전략을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 25.56%(공인 효율 25.59%)의 전력 변환 효율을 기록했으며, 85도·85%의 상대습도(85% RH) 조건과 지속적인 광 조사 환경에서 높은 수준의 성능을 유지하는 장기 안정성을 보였다.

서 석좌교수는 "효율을 높이면 수명이 줄고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 태양전지의 딜레마를 표면 보호막의 구조 설계로 동시에 해결할 수 있었다"며 "공동연구팀이 개발한 기술은 공정 조건 변화에도 비교적 안정적으로 작동해 상용화를 위한 대면적 제조 공정에도 적용 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구에는 KAIST 이재희 생명화학공학과 석사·박사통합과정생과 한국화학연구원 문찬수 박사가 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 지난달 24일 에너지 분야 국제 학술지 '줄(Joule)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr