긴 수명·높은 효율로 양산화 기대

지난 수년 동안 진행된 이 연구는 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 크게 향상시키는 것으로, 페로브스카이트 태양전지는 매우 높은 효율로 태양광을 전기로 전환시킬 수 있는 물질을 말한다.

페로브스카이트가 매우 가볍고 유연한 유무기 하이브리드 재료임에도 불구하고, 상용화되기까지는 아직은 갈 길이 먼 상황이다. 공기 중에 노출될 경우 페로브스카이트 태양전지는 수일에서 수시간 내에 부서지거나 분해되는 데다, 흡습성 때문에 습기에 노출될 때는 더욱 빠르게 성능이 저하되는 등의 단점을 가지고 있기 때문이다.

캘리포니아 나노시스템 연구소는 두 개의 금속 산화물층 사이에 페로브스카이트를 삽입함으로써 이 같은 페로브스카이트의 한계성을 극복했다. 페로브스카이트 태양전지를 안정화시키는 데 있어 상당한 진전으로, 이 같은 새로운 태양전지 구성으로 인해 태양광을 전기로 전환시키는 데 최소한의 손실로 공기 중 유효 수명을 10배 이상 향상시킨다.

이 연구팀 중 한 명인 멩(Meng) 씨는 “페로브스카이트 태양전지 기술에 대한 많은 낙관론이 존재하지만, 짧은 수명은 높은 효율을 가진 페로브스카이트 태양전지의 개발에 큰 걸림돌이 돼 왔다”면서, “우리는 약 2년 동안의 연구를 통해 적게는 1% 이하에서 많게는 20%에 이르기까지 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시켰다”고 밝혔다.

연구진은 일반적인 적층형 페로브스카이트 태양전지 속에 빠른 성능 저하를 야기하는 몇 가지 요인들이 존재한다는 것을 발견했다. 가장 중요한 것은 폭넓게 사용되는 상부 유기 버퍼층이 열악한 안정성을 가지고 공기 중 습기로부터 페로브스카이트층을 효율적으로 보호할 수 없다는 점이다. 버퍼층은 태양전지에 의해서 생성된 전기를 추출할 수 있기 때문에 태양전지 구성에 중요하다.

이에 대해 연구진은 유기층을 금속 산화물층 속에 삽입된 페로브스카이트층으로 대체함으로써 습기로부터 태양전지를 보호할 수 있었다. 이 차이는 극적인 효과를 나타냈다. 금속 산화물 태양전지는 상온의 공기 중에 노출됐을 때도 60일 동안 유지됐을 뿐 아니라, 태양전지의 원래 전환 효율도 90%에 다다랐다.

연구진은 “이 기술개발로 인해, 우리는 안정성을 매우 향상시킬 수 있었다”고 말했다. 또한, 연구진은 그 다음 단계로, 금속 산화물층이 더 나은 효율을 가지도록 압축시키고 효율의 손실 없이 더 긴 수명을 가질 수 있도록 태양전지를 차폐시킬 예정이다. 이를 통해 연구진은 이 프로세스가 페로브스카이트 태양전지의 주요 문제를 해결하고 대규모 제조에 유용하게 적용될 수 있기를 기대하고 있다. 한편, 이 연구결과는 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 저널에 게재됐다.

출처 : KISTI 미리안

SOLAR TODAY 김 미 선 기자(st@infothe.com)

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