[로이슈 전여송 기자] 국내 연구진이 봉지재 없이도 고온·고습 환경에서 장기간 작동 가능한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 이정용 교수 연구팀이 고려대학교 공동연구진과 함께 페로브스카이트·유기 하이브리드 태양전지의 전자구조와 전하 전달 경로를 제어해 고효율과 안정성을 동시에 확보한 태양전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노·소재기술개발사업, 핵심연구, 초고성능컴퓨팅 활용 고도화 사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에 5월 18일 온라인 게재됐다.

페로브스카이트 태양전지는 높은 광전 변환 효율과 경량 특성으로 차세대 태양전지로 주목받고 있지만, 수분과 열에 취약해 안정성 확보를 위해 봉지재가 필요하다는 한계가 있었다.

연구팀은 기존 하이브리드 구조에서 유기 고분자 사용 시 전하 이동이 원활하지 않아 정공이 축적되고, 소자 작동 과정에서 전류-전압 곡선 왜곡 현상이 발생하는 점에 주목했다.

연구진은 3차원 다중물리 모사와 초고속 분광 분석을 통해 해당 현상이 성능 저하의 주요 원인임을 규명하고, 이를 해결하기 위해 깊은 에너지 준위를 갖는 유기 고분자 ‘PM1’을 도입했다.

PM1은 전하가 특정 계면에 축적되지 않도록 이동 경로를 조절해 전류-전압 왜곡 현상을 줄였으며, 연구팀은 이를 통해 최고 효율 27.18%, 공인 효율 26.71%를 기록했다고 설명했다.

또한 PM1 기반 층은 근적외선 흡수와 전하 이동을 지원하는 동시에 외부 수분 침투를 차단하는 역할도 수행했다. 연구팀은 봉지재 없이 85도·상대습도 85% 환경에서 3000시간 이후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지했다고 밝혔다.

아레니우스 모델을 활용한 예측 결과에서는 상온 기준 T80 수명이 3만5590시간으로 계산돼 약 4년 수준의 장기 안정성을 확보할 수 있는 것으로 분석됐다.

이정용 KAIST 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 간 상충 관계를 전자구조 설계를 통해 개선한 사례”라며 “차세대 태양전지 상용화에 의미가 있다”고 말했다.

제1저자인 이민호 박사는 “기존 태양전지 구조에서 효율을 제한하는 원인을 실제 작동 중 전하 흐름 관점에서 분석하고 이를 전자구조 설계로 해결했다”고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr