KAIST가 태양전지 효율을 높이면 수명이 줄고 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 '태양전지 딜레마'를 해결할 고성능 보호막 기술을 선보였다.
KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수팀은 한국화학연구원(이하 화학연)과 공동연구로 페로브스카이트 태양전지 효율과 장기 안정성을 동시에 높이는 2차원 보호막 설계 기술을 개발했다.
태양전지가 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 비율인 전력변환효율은 태양광 발전 핵심 지표다.
차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트는 효율은 높지만 고온이나 고습 환경에서 성능이 쉽게 떨어지는 게 상용화 발목을 잡았다.
기존에는 효율을 지키려 3차원 결정 위에 2차원 층을 덧입히는 방식을 썼지만 시간이 흐르면 구조가 변형되는 한계가 있었다.
연구팀은 기존보다 견고한 '디온-재콥슨(Dion-Jacobson, DJ)' 구조 2차원 페로브스카이트 보호막을 도입해 이 문제를 풀었다.
DJ 구조는 페로브스카이트 층 사이를 유기 분자가 양쪽으로 단단히 연결해 구조를 지탱하는 방식이다.
연구팀은 보호막 내부에서 페로브스카이트 무기층이 쌓이는 수인 'n값'을 정밀하게 제어하고, 열처리 온도와 시간을 조절해 접착제가 굳듯 벽돌 구조가 가장 단단하고 정돈된 상태가 되도록 유도했다.
이 과정에서 서로 다른 물질이 만나는 계면이 재배열되며 구조가 변한다는 사실도 실험으로 증명, 재현 가능한 공정 조건을 확보했다.
이를 적용한 결과 전하 이동이 원활해지며 전력변환효율 25.56%을 기록했다.
아울러 안정성도 기온 85℃, 상대습도 85% 가혹 조건과 지속적인 빛 노출 환경에서도 높은 성능을 유지했다.
특히 연구팀은 이 기술을 대면적 모듈 제작에 적용해 상용화 가능성까지 확인했다.
서 석좌교수는 "효율을 높이면 수명이 줄어드는 난제를 표면 보호막 구조 설계로 해결했다"며 "공정 조건 변화에도 안정적으로 작동해 향후 대면적 제조 공정 효율을 높여 상용화를 앞당기겠다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 이재희 생명화학공학과 석박통합과정생과 화학연 문찬수 박사가 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 지난달 24일 국제학술지 '줄(Joule)'에 게재됐다.
(논문명: Tailored n value engineering of Dion-Jacobson 2D layers enables efficient and stable perovskite solar cells)
