영하 100도~영상 100도 견디는 태양전지 소재 개발

분자 연결 위치를 조절해 영하 100도부터 영상 100도까지의 극한 온도 변화에도 작동하는 페로브스카이트 태양전지용 계면소재가 개발됐다.

한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수와 신소재공학과 송명훈 교수 공동연구팀이 자기조립단분자막(SAM)의 분자 연결 위치를 조절해 전극 위에서 치밀하고 안정적으로 배열되는 계면소재 ‘LY-m’을 개발했다고 밝혔다.


페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양광 기술로 주목받고 있다. 특히 전하수송층의 위아래 구조를 반대로 뒤집은 역구조(p-i-n) 방식은 효율과 안정성을 높일 수 있는 기술로 평가된다.

다만 역구조 태양전지에서 투명전극(ITO)과 페로브스카이트 흡수층 사이 계면은 전체 소자 성능을 좌우하는 핵심 부위다. 이 구간에 쓰이는 자기조립단분자막은 전하 이동을 돕지만 분자 배열이 고르지 않거나 열에 취약할 경우 에너지 손실이 커지고 장기 안정성이 떨어질 수 있다.

연구팀은 SAM 분자의 기본 구조는 유지한 채 중간 연결고리의 위치만 오르토·메타·파라로 달리한 세 가지 이성질체를 합성해 성능을 비교했다. 그 결과 메타(meta) 위치에 연결된 ‘LY-m’ 분자가 전극 위에서 가장 치밀하고 균일한 막을 형성하며 가장 우수한 특성을 보였다.

LY-m은 ITO 기판 위에서 기울어진 형태로 배열되며 큰 결합 에너지를 보였고, 표면 피복 밀도와 계면 안정성에서도 강점을 나타냈다. 이를 실제 역구조 페로브스카이트 태양전지 소자에 적용한 결과 최고 광전변환효율 26.39%를 달성했고, 인증 효율은 26.37%로 확인됐다.

소자 성능 세부 지표도 우수했다. LY-m 기반 소자는 개방전압 1.231볼트, 단락전류밀도 25.3mA/㎠, 충전율 84.74%를 기록했다.

면적을 키운 소자에서도 성능을 유지했다. 1㎠ 면적 소자의 효율은 23.25%, 3×1㎠ 미니모듈의 효율은 21.20%였다.


안정성 평가에서도 LY-m은 기존 소재 대비 우수한 결과를 보였다. 연속광 조사에서 초기 효율의 80%를 유지하는 시간(T80)은 1462시간이었고, 질소 분위기 85도 열 스트레스에서는 1994시간을 기록했다. 최대전력점 추적 시험에서도 1002시간 후 초기 효율의 80%를 유지했다.

특히 봉지 소자를 영하 100도와 영상 100도에 각각 30분씩 노출한 뒤 실온으로 전환하는 과정을 16회 반복한 극한 열순환 시험에서 기존 상용 소재 기반 비교 소자는 작동이 멈췄다. 반면 LY-m 소자는 약 9%의 효율 감소만으로 정상 작동을 유지했다.

연구팀은 동일한 분자 구성에서 연결 위치만 달리한 직접 비교를 통해, SAM의 분자 위상이 전극 위 배열과 피복도, 계면 결함, 결정 성장, 소자 안정성에 미치는 영향을 규명했다는 데 의미가 있다고 설명했다.

양창덕 교수는 “태양전지의 성능은 빛을 흡수하는 소재뿐 아니라 각 층이 맞닿는 계면의 완성도에도 크게 좌우된다”며 “분자 수준의 정교한 설계를 통해 효율과 안정성을 함께 높일 수 있음을 보여줬다”고 말했다. 이어 “우주·항공처럼 극심한 온도 변화가 예상되는 환경에서의 태양전지 적용 가능성을 높였다”고 밝혔다.