국립부경대, 두 종류 태양전지 효율 높이는 소재 개발

페로브스카이트 25.5% 효율 달성
유기태양전지 20.4%…안정성도 확인

국립부경대학교 고분자공학전공 김주현 교수 연구팀이 페로브스카이트와 유기태양전지의 효율을 높이는 새로운 소재를 개발했다. 왼쪽부터 아유니 박사과정생, 손동환 연구원, 김주현 교수. (사진=국립부경대 제공)

국립부경대학교 연구진이 페로브스카이트와 유기태양전지에 모두 사용할 수 있는 분자 소재를 개발해 각각 25.5%와 20.4%의 광전변환효율을 확인했다. 하나의 소재 설계 방식으로 서로 다른 태양전지의 성능을 개선했다는 점에서 의미가 있다.

국립부경대 고분자공학전공 김주현 교수 연구팀은 페노티아진을 기반으로 한 자기조립단분자막(SAM)을 개발하고, 분자에 결합하는 화학적 작용기의 종류에 따라 성능이 어떻게 달라지는지 분석했다.

이 소재는 태양전지 내부에서 생성된 양전하인 정공이 이동하도록 돕는 층에 사용된다. 전하가 이동하는 과정에서 발생하는 손실을 줄이는 것이 효율 개선의 핵심이다.

연구진은 여러 분자 구조를 비교한 결과, 아세틸기를 결합한 'PTZ-diACE'가 가장 좋은 특성을 보인다는 사실을 확인했다.

해당 물질에 포함된 아세틸기와 황 원자는 태양전지 내부의 접촉면에서 결함을 줄이는 역할을 한다. 전하의 이동을 원활하게 하고 불필요한 에너지 손실을 억제하는 데도 기여하는 것으로 분석됐다.

이를 적용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 25.5%의 효율을 기록했다. 500시간이 흐른 뒤에도 처음 효율의 93%를 유지했다. 유기태양전지에 적용했을 때는 20.4%의 효율을 나타냈다.

연구에는 김 교수와 아유니(Qurrotun Ayuni Khoirun Nisa) 박사과정생, 손동환 연구원 등이 참여했다.

김 교수는 분자에 도입하는 작용기를 조절하는 방식이 태양전지 내부 결함과 전하 이동을 개선하는 데 효과적임을 확인했다며, 향후 고효율 태양전지 소재 설계에 활용될 가능성을 제시했다고 설명했다.

연구 결과는 지난 2일 에너지 분야 국제학술지 'Advanced Energy Materials'에 게재됐다.

부산=김성욱 기자