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수명 늘린 태양전지 개발한 연구진 왼쪽부터 양상진 UNIST 연구원, 양창덕 UNIST 교수, 민한울 고려대 교수, 김기훈 고려대 연구원. UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST)이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 22일 발표했다.

고체 첨가제로 안정성 문제 해결

UNIST 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수팀과 고려대학교 민한울 교수팀은 기존의 휘발성 액상 첨가제(tBP)를 새로운 고체 첨가제(4CP)로 교체하여 페로브스카이트 태양전지의 성능을 크게 향상시켰다. 개발된 태양전지는 26.2%의 높은 광전변환 효율과 3천시간의 장기 안정성을 동시에 확보했다.

tBP는 태양전지 내부에서 리튬 이온을 균등하게 분산시켜 태양광을 전기로 변환하는 효율을 높이는 역할을 한다. 하지만 액체 상태라는 특성상 고온에서 쉽게 증발하는 문제가 있었다. 이 과정에서 리튬이온이 제대로 유지되지 못해 태양전지 성능을 저하시키는 부산물이 생기거나 미세한 구멍이 발생하여 전지 수명을 단축시켰다.

효율성과 내구성 모두 잡은 신기술

연구진이 새롭게 개발한 4CP는 기존 액체 첨가제와 달리 휘발하지 않는 고체 형태로, 고온에서도 뛰어난 안정성을 보인다. 또한 태양전지 구성층 간의 계면을 균질하게 만들어 전하가 원활하게 이동할 수 있도록 돕는다. 전하 이동이 개선되면서 광전변환 효율도 함께 상승하는 효과를 거뒀다.

실험 결과 4CP가 적용된 페로브스카이트 태양전지는 26.2%의 광전변환 효율을 기록했으며, 이는 공인 인증 기준으로 25.8%에 해당한다. 특히 3천시간 이상 초기 효율의 80%를 유지하는 것으로 확인되어 기존 tBP 기반 태양전지보다 수명이 3배 늘어났다.

상용화 앞당길 핵심 기술

연구진은 "기존 제조 공정은 그대로 유지하면서 첨가제만 교체해도 차세대 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점인 수명 문제를 효과적으로 해결할 수 있다"고 설명했다. 또한 "극심한 온도 변화에도 성능이 안정적으로 유지된다"고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 세계적인 학술지 네이처의 자매지인 네이처 에너지(Nature Energy) 9월 10일자에 게재되어 국제적으로 그 우수성을 인정받았다.

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