한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 반투명 태양전지 분야 세계 최고 에너지 효율을 기록했다고 21일 밝혔다.
빛을 투과하는 반투명 페로브스카이트 태양전지. 한국에너지기술연구원 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하려면 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛이 통과할 수 있는 투명전극으로 바꿔야 한다.
하지만 이 과정에서 고에너지 입자가 발생해 정공수송 층 성능이 저하되는데, 이를 막으려면 정공수송 층과 투명전극 층 사이에서 완충역할을 하는 금속산화물 층을 만드는 것이 일반적이다.
이 때 동일 조건에서 제작한 불투명 태양전지에 비해 전하의 이동성과 안정성이 떨어지는데, 이에 대한 원인이 규명되지 않아 기술적 해결책이 필요했다.
에너지연 연구팀은 반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작할 때 발생하는 전하 이동성 및 안정성 저하 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 적용했다.
이 결과 정공수송 층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온이 완충 역할을 하는 금속산화물 층으로 확산되면서 특성을 저하시키는 전자 구조로 변환되는 것을 확인했다.
아울러 연구팀은 정공수송 층의 산화시간을 최적화 하는 해결책을 도출했다.
연구팀은 리튬이온이 안정적인 리튬산화물로 변환하면서 리튬이온 확산을 차단시켜 소자 안정성을 높이는 것을 확인, 그동안 단순반응 생성물로 여겨졌던 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 하는 것임을 밝혀냈다.
연구팀이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지 구조 및 안정성 측정 결과, 기존 반투명 태양전지는 정공수송 층 표면 리튬이 점진적으로 삼산화몰리브덴 버퍼층으로 확산해 계면 전하수송 능력 및 소자 안정성을 크게 저하시키지만, 표면 리튬을 안정한 리튬산화물로 변환시킬 경우 소자의 효율과 안정성 모두 크게 개선된 그래프. 한국에너지기술연구원 이를 통해 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지는 에너지전환 효율 21.68%로 페로브스카이트 태양전지 중 세계 최고를 기록했다.
또 400시간 장기보관 조건과 240시간 이상 작동 환경에서 초기 대비 99% 이상의 효율을 유지했다.
이와 함께 연구팀은 이번에 개발한 태양전지를 탠덤 태양전지 상부셀에 적용, 패널 후면의 빛도 활용하는 ‘양면수광형 탠덤 태양전지’를 국내 최초로 제작했다.
이를 기반으로 주성엔지니어링㈜ 및 독일 율리히연구소와 협력해 제작한 양면수광형 탠덤 태양전지 효율은 4단자형이 31.5%, 2단자형은 26.4%로 최상위 수준을 달성했다.
연구팀이 개발한 반투명 페로브스카이트 태양전지를 적용해 국내 최초로 제작한 양면수광형 페로브스카이트⋅규소 탠덤 태양전지 전류-전압 특성, 후면반사 20% 조건에서 4단자형 양면수광 탠덤 태양전지 기대효율 31.5%, 2단자형 양면수광 탠덤 태양전지 기대효율 26.3% 달성 그래프. 한국에너지기술연구원 이번 연구를 수행한 안세진 박사는 “반투명 페로브스카이트 태양전지의 독특한 유기물 소재와 금속산화물 계면 열화현상을 최초로 규명했다”며 “문제를 손쉽게 해결할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 향후 활용성이 크게 확대될 것”이라고 말했다.
반투명 페로브스카이트 태양전지로 제작한 창문으로 실내 전자기기에 전원을 공급하는 모습. Advanced Energy Materials 2023년 12월호 표지사진 한편 이번 연구는 에너지연 태양광연구단과 에너지AI⋅계산과학실이 공동으로 진행했다.
