[뉴스웍스=문병도 기자] 양창덕 울산과학기술원(UNIST) 교수와 김동석·이찬우  한국에너지기술연구원 책임연구원 연구진이 모듈 형태로 크기를 키운 페로브스카이트 태양전지가 21.83% 효율을 기록, 최고 기록을 경신했다.

연구진은 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층(HTM)용 유기 소재를 새롭게 개발해 이 같은 성과를 올렸다.

페로브스카이트는 결정구조 ABX3를 가진 물질로, 우수한 전자기적 및 광학적 특성을 가지고 있다. 이를 빛을 받아 전하 입자를 생성하는 물질인 광활성층으로 사용하는 태양전지를 페로브스카이트 태양전지라고 한다. 값싼 용액공정으로 제조 가능하며, 기판 종류에 따라 유연한 형태로도 만들 수 있는 장점이 있다. 

태양광 생성 전하입자(정공)를 전극으로 전달하는 중요한 역할을 하는 정공수송층은 전지 효율을 결정하는 핵심 요소 중 하나다. 정공은 전자의 빈상태를 나타내는 가상의 입자이다. 전자와는 반대로 양전하를 갖는 전하 운반체로서 전기장 자기장 등의 외부력에 감응한다. 정공수송층은 정공을 전극에 전달하는 역할을 하는 물질로, 디스플레이 기기에도 쓰인다.

개발한 정공수송층 소재는 고온도 잘 견디고 수분에도 강하다. 초고효율 태양전지에 쓰이던 스파이로-오엠이티에이디 소재와 비슷하지만 분자 구조 말단에 나프탈렌 구조가 붙어있는 차이점이 있다. 나프탈렌 구조를 분자 구조에 넣게 되면, 소수성이 강화돼 수분흡수를 잘 막는다. 분자끼리의 상호작용이 커져 전하 전달 성능이 더 좋아질 뿐만 아니라 유리전이 온도도 높일 수 있다. 

개발한 정공수송층 소재를 쓴 페로브스카이트 전지는 60℃ 이상의 고온에서 전지를 작동하는 열 안정성 실험과 2000시간에 걸친 장기 내구성 평가에서도 기존 소재 대비 월등하게 향상된 성능을 보였다. 전지 크기를 25㎠ 확장해 모듈 형태로 제작했을 때도 21.83%의 고효율을 달성했다. 

양창덕 교수는 "향후 페로브스카이트 태양전지용 유기 소재 개발에 있어서 새로운 전략을 제시하는 연구"라고 말했다.

양창덕 교수는 충남대 학사와 석사 출신으로 독일 막스 플랑크 고분자 연구소에서 박사학위를 받았다. 캘리포니아 주립대 샌타 바버라 캠퍼스에서 박사후 연구원과 조지아 공대 방문 연구교수를 지냈다.  전문분야는 유기 전자재료, 초분자 화학 및 전자 재료, 고분자 화학, 신소재 화학이다. 연구결과는 광전자공학 최고 권위 저널인 '네이쳐 포토닉스'에 지난 17일 공개됐다.