한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 태양광연구단은 에너지AI·계산과학실과 협업을 통해 건물 창문이나 탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선하는데 성공했다. 개발한 태양전지는 21.68%로 반투명 태양전지 분야 세계 최고 효율을 달성했으며, 240시간 이상의 작동에도 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 뛰어난 안정성까지 보였다.

2050 탄소중립 달성을 위한 차세대 태양전지 기술의 핵심은 경쟁력에서 우위를 갖는 ‘초고효율화 달성’과 제한적인 설치장소, 국토면적을 극복하기 위한 ‘적용처 확대’다. 이를 위해서는 탠덤 태양전지, 창호용 태양전지와 같은 고효율, 다기능성 기술이 필요한데, 두 기술에는 모두 효율과 안정성이 우수한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 사용되고 있다.

반투명 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 기존 불투명 태양전지의 금속전극을 빛을 통과시키는 투명전극으로 바꿔야 한다. 이 과정 중 고에너지 입자가 발생해 정공수송층의 성능이 저하되는데, 이를 막기 위해 정공수송층과 투명전극층 사이에서 완충 역할을 하는 금속산화물층을 만드는 것이 일반적이다. 다만, 동일 조건에서 제작된 불투명 태양전지에 비해 전하의 이동성과 안정성이 떨어지며 정확한 원인과 해결책도 규명되지 않았다.

연구진은 반투명 페로브스카이트 태양전지 제작 시 발생하는 전하 이동성과 안정성 저하의 원인을 규명하기 위해 전기광학적 분석과 원자단위 계산과학을 활용했다. 이를 통해 정공수송층의 전기전도도를 올리기 위해 첨가하는 리튬이온(Li)이 완충 역할을 하는 금속산화물층으로 확산되고, 결국 특성을 저하시키는 전자 구조로 변화된다는 것을 규명했다.

또한 연구진은 원인규명을 넘어 정공수송층의 산화시간을 최적화해 문제를 해결했다. 산화를 통해 리튬이온이 안정적인 리튬산화물(LixOy)로 변환되면 리튬이온의 확산을 차단시켜 소자의 안정성을 높이는 것을 확인했다. 그동안 단순 반응 생성물로 여겨진 리튬산화물이 효율과 안정성을 높이는 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혀낸 것이다.

이를 통해 개발한 반투명 페로브스카이트는 태양전지는 투명전극을 사용하는 페로브스카이트 태양전지 중 세계 최고 효율인 21.68%를 기록했다. 또 400시간의 장기 보관 조건과 240시간 이상의 작동 환경에서도 모두 초기 효율 대비 99% 이상의 효율을 유지해 효율과 안정성 모두 사로잡은 연구결과라 할 수 있다.

연구진은 더 나아가, 개발한 태양전지를 탠덤 태양전지의 상부셀에 적용해 후면의 빛도 활용하는 양면수광형 탠덤 태양전지를 국내 최초로 제작했다. 주성엔지니어링㈜, 독일 율리히 연구소와 협력해 제작한 양면수광형 탠덤 태양전지는 후면*에서 반사되는 빛이 표준 태양광의 20%인 조건에서 4단자형 31.5%, 2단자형* 26.4%의 높은 기대효율을 달성했다.

연구를 수행한 태양광연구단 안세진 박사는 “이번 연구로 반투명 페로브스카이트 태양전지의 독특한 유기물 소재, 금속산화물 계면 열화 현상을 최초로 규명했다”며, “문제를 손쉽게 해결할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 향후 개발 기술의 활용성이 크게 확대될 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구는 에너지·재료분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials / IF 27.8)의 표지논문(Outside Front Cover)으로 게재됐으며, 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.