국내 연구진, 고성능·고안정성 태양전지 개발 성공
국내 연구진, 고성능·고안정성 태양전지 개발 성공
  • 임도이
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  • 승인 2022.11.03 12:00
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연구 주역들(왼쪽부터) 교신저자 이광희 교수, 교신저자 서홍석 교구, 교신저자 김희주 교수, 제1저자 김주현, 제1저자 김용윤.
연구 주역들(왼쪽부터) 교신저자 이광희 교수, 교신저자 서홍석 교구, 교신저자 김희주 교수, 제1저자 김주현 박사 과정, 제1저자 김용윤 박사.

[헬스코리아뉴스 / 임도이] 국내 연구진이 고성능·고안정성의 태양전지를 개발에 성공했다. 광주과학기술원 신소재공학부 이광희·애너지융합대학원 김희주 교수, 부산대학교 화학과 서홍석 교수 공동연구팀의 공로다. 한국연구재단은 3일 이들 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 성능을 저하 시키는 요인인 비방사재결합을 억제하여 고성능·고안정성의 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

태양전지의 안정성과 효율성을 저해하는 비방사재결합은 태양전지가 빛을 흡수해 작동하는 동안 열에너지로 에너지가 손실되는 현상으로, 페로브스카이트 물질 자체의 결함과 태양전지 작동 시 전극과 태양전지 사이에 고여 있는 소수 전하 운반체에 의해 발생한다.

세계적으로 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔지만, 증착 및 고온 열처리와 같은 복잡한 공정을 통해 물질자체의 결함 또는 소수 전하 운반체에 의한 문제 중 하나만 해결하고 아직까지 전체를 억제하는 방법은 찾지 못한 상태였다.

[용어설명]
* 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조다. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목 받고 있다.

* 비방사재결합(nonradiative recombination): 태양전지 작동 시 생성된 정공과 전자가 각 전극으로 이동하지 못해 전기에너지로 전환되지 않고 서로 재결합하면서 열에너지로 방출되는 현상이다.

* 전하 운반체(charge carrier): 전하를 띠고 운동하는 입자(전자, 정공)이다. 

* 증착(evaporation): 물질을 고온으로 가열 및 증발시켜 견고한 박막을 제조하는 방법을 말한다. 

* 비공액고분자(non conjugated polymer): 고분자물질을 이루는 단위체 간에 연결이 단일결합으로 이루어진 고분자다. 전자가 비편제화되어 있지 않아 일반적으로 부도체적인 성질을 가진다.

이에 연구팀은 새로운 비공액고분자를 개발하고, 간단한 용액공정을 통해 페로브스카이트 박막 하부층에 얇은 막 형태로 접목시켜 비방사재결합을 근본적으로 해결했다.

새로운 비공액고분자 층은 페로브스카이트 물질의 태양빛 흡수를 방해하지 않으며, 고품질 페로브스카이트 결정 성장을 유도해 내부 결함을 효과적으로 감소시켰다.

또한, 이온성 기능기를 도입하여 페로브스카이트 물질에서 생성된 전하를 하부 전극으로 효과적으로 추출하고, 더욱 향상된 전하 수송능력으로 태양전지 성능 향상에 기여했다.

연구팀은 신규소자 구조가 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지보다 높은 개방 전압과 광전류를 보여 24.4%의 에너지 전환효율을 기록하고, 약 700시간 태양광 노출 실험에서 초기 효율 대비 7%만 감소하여 우수한 광안정성을 나타냄을 확인했다고 밝혔다.

이광희 교수는 “이번 연구를 통해 페로브스카이트 물질의 성능저하의 근본적인 원인을 해결할 수 있는 실마리를 제시했다”며 “향후 태양광 모듈 및 건물 일체형 태양전지 개발 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실사업, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 8월 27일자 온라인 게재되었다.


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