포스텍, 태양전지 효율성 향상 성과

화학공학과 박태호교수 연구팀
성균관대·충남대와 연구 협업
페로브스카이트 기반 안전성↑

박태호 교수, 김한결 동문, 최경원 동문

포스텍 화학공학과 박태호 교수 연구팀은 양쪽성 이온 분자 간 친밀도를 낮춰 태양전지 연구에서 큰 성과를 냈다.

포스텍 화학공학과 박태호 교수·통합과정 김한결·최경원 동문 연구팀은 최근 성균관대 신소재공학과 정현석 교수·윤건우 씨, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수팀과의 연구를 통해 페로브스카이트를 기반으로 한 태양전지의 효율성과 안전성을 높였다. 이번 연구는 최근 에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 온라인판에 게재됐다.

페로브스카이트 태양전지는 제작 공정이 간단하고, 비용도 저렴할 뿐 아니라 기존 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 유연성도 우수해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 페로브스카이트와 전자수송층 사이 계면의 결함으로 인해 효율과 안전성, 내구성이 저하되는 문제가 있었다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 페로브스카이트를 보호할 필름을 만드는 것이다. 필름을 만들 때 양쪽성 이온을 주로 사용한다. 이 이온은 양전하와 음전하를 모두 갖고 있어 페로브스카이트 결정과의 결합력이 우수하다. 그러나 이온 분자 간 정전기적 인력이 매우 강해 유기 용매에 잘 녹지 않아 균일한 두께로 필름을 만들기 어려웠다. 고성능이나 대면적 필름 제작에도 한계가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 LiTFSI라는 첨가제를 넣어 기존과 다른, 액체 형태의 양쪽성 이온(이하 LTZ)을 만들었다. 이 첨가제를 양쪽성 이온에 넣으면 하드 소프트 산-염기 이론에 따라 이온 분자 간 당기는 힘이 감소한다는 점에 주목했다. LTZ로 실험한 결과 이온이 잘 녹아 균일한 두께로 필름을 합성하는 데 성공했다. 이 LTZ는 태양전지 내에 존재하는 결함과 강하게 결합해 소자의 전기적 성능도 높였다. LTZ를 사용한 연구팀의 전지는 단일면적에서 24.9%의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 1968시간 동안 60도 환경에서 초기 전력 변환 효율의 80% 이상을 유지했다. 대면적(32.7cm2) 전지 모듈에서도 19.9%라는 높은 효율을 기록했다.

박태호 교수는 “인간 관계에서도 적당한 거리가 중요한데 화학의 세계에도 비슷하다”며 “LTZ를 기반으로 한 인터페이스 엔지니어링 기술로 페로브스카이트 태양전지의 효율성과 안전성을 높이는 데 성공했다”고 말했다. /장은희기자 [e-mail]