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연구진이 개발한 기술의 성능실험을 하고 있다. / 에너지연 제공

[투데이에너지 임자성 기자] 차세대 태양광 시장의 핵심 소재로 꼽히면서도 열과 수분에 취약해 상용화에 난항을 겪던 페로브스카이트 태양전지의 내구성 한계가 극복됐다. 첨가제와 잔류 리튬 이온을 화학 반응 유도 후 물리적으로 완전히 걸러내는 신개념 촉매 필터링 공정이 개발되면서 가혹한 야외 환경에서도 장기 구동이 가능한 길이 열렸다.

한국에너지기술연구원 재생에너지연구소 태양광연구단 안세진 책임연구원 연구팀이 UNIST 김동석 교수 연구팀과 공동으로 산화니켈(NiOx) 촉매를 도입해 페로브스카이트 태양전지의 수명 저하를 유발하는 리튬 이온을 원천 제거하는 공정 기술을 개발했다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 소자와 결합해 효율을 극대화하는 탠덤 태양전지의 핵심 소재로 주목받고 있다. 하지만 고성능 정구조 소자 제작 시 전하 운반 효율을 높이기 위해 정공수송층(spiro-OMeTAD)에 첨가하던 tBP와 리튬염(LiTFSI)이 고온·고습 환경에서 지속적으로 휘발되거나 리튬 이온이 무분별하게 이동해 결함을 유발하고 수명을 급격히 떨어뜨리는 고질적 문제가 있었다.

연구팀은 마이크로 크기의 산화니켈 촉매 분말을 정공수송층 용액에 투입해 암실 환경에서도 5초 이내에 수송층의 고속 산화 반응을 완료시키는 방식을 고안했다. 이 과정에서 산화니켈 표면 산소 사이트가 리튬 이온을 강력하게 흡착·포집하며 리튬염의 용해도를 높여, 기존에 용해 보조제로 쓰이던 휘발성 첨가제(tBP) 없이도 공정을 원활히 진행할 수 있도록 했다.

이어 반응이 끝난 산화니켈 촉매 분말을 용액 필터링을 통해 100% 물리적으로 추출해 걸러냈다. 이를 통해 열화를 일으키는 tBP 첨가제와 잔류 리튬 이온은 물론 투입된 산화니켈 촉매 입자까지 모두 제거된 청정 정공수송층을 완성했다. 신공정이 적용된 박막은 첨가제 없이도 균일한 p형 도핑을 이뤄 전기전도도가 약 2.5배 향상됐으며 표면 도판트 응집 현상도 원천 차단됐다.

연구팀이 개발된 소자를 대상으로 85도의 온도와 상대습도 85%의 가혹 조건(댐프히트 테스트)에서 내구성을 측정한 결과, 1000시간이 지난 뒤에도 초기 성능의 95% 이상을 유지했다. 이는 기존 방식으로 제작된 소자가 600시간 만에 초기 성능의 59% 수준으로 급락한 것과 대비되는 수치다. 아울러 광전변환효율 역시 25.24%를 달성해 기존 공정(25.21%)의 성능을 넘어섰다.

안세진 한국에너지기술연구원 책임연구원은 “필요한 화학 반응만 유도한 뒤 원인 물질을 촉매째로 걸러내는 새로운 발상의 전환을 통해 수명 단축의 고질적 문제를 해결했다”며 “단일 접합뿐만 아니라 페로브스카이트/실리콘 및 박막형 탠덤 태양전지의 조기 상용화와 대면적화 기술 경쟁력 확보에 핵심적인 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, IF 14.1)’ 5월호 표지논문(front cover)으로 게재됐다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)