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고효율, 장수명 ‘페로브스카이트 태양전지’ 구현되나, 국내 연구진 기술 개발
방향족 아민 화합물 첨가 통해 안정성 향상 및 20.9% 광전 효율 달성

[인더스트리뉴스 정한교 기자] 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 성능과 수명을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

(왼쪽부터) 서울대 박병우 교수, 서울대 김진현 박사 [사진=서울대학교 공과대학]

서울대 공대(학장 차국현) 재료공학부 박병우 교수 연구팀은 최근 방향족 아민계 유기물인 1,2,4-트라이아졸을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 성능과 수명을 획기적으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 낮은 공정 단가로 인해 차세대 태양전지로 주목 받았다. 그러나 페로브스카이트 소재는 유무기 구조로 수분, 열, 빛 등 외부의 자연적 자극에 쉽게 반응하는 특성을 갖고 있다. 이 때문에 실제 소재를 응용한 소자를 외부 환경에서 작동할 경우 낮은 수명이 문제점으로 지적돼 왔다.

어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials) 표지 논문 [사진=서울대학교 공과대학]

이러한 문제 해결을 위해 연구팀은 안정적이고 효율적인 다량의 아민을 포함하는 방향족 유기물에 착안했다. 이러한 유기물 중 하나인 1,2,4-트라이아졸을 페로브스카이트에 합금하면, 광학적 특성과 전기적 특성이 향상된다. 또한, 연구팀은 재료 내 결함 농도가 줄고 결함의 위치가 밴드 내부에서 얕아지는 것을 관찰했다.

그 결과 20.9%의 향상된 광전효율을 달성했으며, 85℃와 85% 상대습도의 극한의 환경에서도 기존 소자 대비 2배 이상 향상된 높은 소자 수명을 구현해내는 데 성공했다. 연구팀은 이번 연구로 페로브스카이트의 소재 안전성을 향상시켰으며, 동시에 방향족 유기물의 고유 특성을 활용하고 1,2,4-트라이아졸의 양을 최적화함으로써 이상적인 소재 및 소자를 구현했다.

이번 연구를 이끈 서울대 박병우 교수는 “다량의 아민을 포함하고 있는 1,2,4-트라이아졸 방향족 유기물은 기존에 보고된 유기물의 높은 외부 반응성을 줄이는 핵심 기술”이라며, “페로브스카이트 소재 내부의 결함 및 구조 제어를 통한 성능 및 수명 향상 연구의 단초가 될 것”이라고 설명했다.

박병우 교수 연구팀의 김진현 박사가 주저자로 참여한 본 연구는 2018년 9월 에너지기술 평가원의 신재생에너지 사업과제로 연구 지원을 받아 진행됐다. 연구 결과는 세계적으로도 주목받으며, 에너지 재료 분야의 국제학술지 ‘어드밴스드 평셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 표지 논문으로 게재됐다.

[정한교 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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