200℃ 변화에도 '잘버티는' 페보브스카이트 태양전지 개발

영상 100도와 영하 100도를 극단적으로 오가는 반복적 200도 온도변화에서도 정상 작동하는 태양전지가 개발됐다. 한국연구재단은 UNIST 양창덕·신승재 에너지화학공학과 교수와 송명훈 신소재공학과 교수 연구팀이 자기조립단분자막의 분자 연결 위치를 조절해 전극 위에서 치밀하고 안정적으로 배열되는 계면소재 'LY-m'을 개발했다고 3일 밝혔다. 자기조립단분자막(SAM)은 특정 분자들이 기판 표면에 스스로 결합하고 정렬해 형성하는 분자 한 층 두께의 매우 얇은 막을 말한다. 페로브스카이트 태양전지의 결함을 없애고 전하 이동을 극대화하는 결정적 역할을 하는 물질이다. 또 'LY-m'은 기존 SAM의 문제를 해결하기 위해 연구진이 새롭게 설계한 고성능 계면소재의 구조를 이른다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 온라인으로 게재됐다. 공동제1저자인 이승록 연구원은 전화통화에서 "영상 100도와 영하 100도를 오가는 반복실험을 16회 실시했다"며 "극한온도에서 성능 손실이 9%에 불과했다. 반면 대조군 페로브스카이트 전지에서는 성능이 0%였다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지는 통상 70도 정도에서 정상 성능의 80%를 내는 것으로 알려졌다. 최근 UNIST에서 박사학위를 받은 이승록 연구원은 "이번에 개발한 태양전지는 극한 온도변화에도 열충격에 잘 견딘다는 것을 의미한다"고 부연설명했다. 연구팀은 SAM 분자 기본 구조는 유지한 채 중간 연결고리 위치만 바꾼 세 가지 이성질체를 합성했다. 이성질체는 화학식은 같지만 분자 내부의 구조나 배열이 달라서 서로 다른 물리적·화학적 성질을 가지는 물질을 말한다. 이번 연구에서는 SAM 분자의 연결 위치만 오르토·메타·파라로 달리한 'LY-o, LY-m, LY-p'를 합성했다. 이승록 연구원은 "이를 페로브스카이트 계면에 적용한 결과, 메타(meta) 위치에 연결된 'LY-m' 분자가 가장 뛰어난 특성을 보였다"며 "LY-m 분자는 투명전극 기판 위에 기울어진 형태로 촘촘하고 균일한 막을 형성, 세 이성질체 중 가장 큰 결합 에너지를 보이는 동시에 결함을 최소화하는 경향을 나타냈다"고 말했다. 실제 역구조 페로브스카이트 태양전지 소자에 적용한 결과 'LY-m'은 최고 광전변환효율 26.39%을 달성했다는 것. 특히 연구팀은 영하 100도와 영상 100도를 각각 30분씩 16회 반복하는 극한 열순환 시험에서 기존 상용 소재 소자(MeO-4PACz )는 작동을 멈춘 반면, LY-m 소자는 약 9%의 효율 감소만으로 정상 작동을 유지함을 확인했다. 양창덕 교수는 “태양전지의 성능은 빛을 흡수하는 소재뿐 아니라 각 층이 맞닿는 계면의 완성도에도 크게 좌우된다”며, “이번 연구는 분자 수준의 정교한 설계를 통해 효율과 안정성을 함께 높일 수 있음을 보여줬다"고 말했다.