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KIST, 황철석에서 차세대 태양전지 비전 제시

고민재 박사팀 "1000시간 후에도 태양전지 구동 입증"
고민재 박사.<사진=KIST 제공>고민재 박사.<사진=KIST 제공>
국내 연구진이 태양광 발전 상용화의 고질적 문제인 비싼 가격과 내구도 문제를 해결할 수 있는 원천물질을 발견했다.
 
KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 고민재 박사팀이 기존 태양전지 구동의 핵심 부분 중 하나인 정공수송층으로 널리 이용되던 유기물질을 지구상에 풍부한 황철석 나노입자로 대체해 친환경적인 고성능·고안전 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공했다고 24일 밝혔다.
 
현재 상용화된 태양전지는 실리콘을 사용한 태양전지다. 고 박사팀이 개발한 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지로 연구가 시작된 지 4년 정도 밖에 안 됐지만 광전변환 효율 22.1%를 달성해 기존 태양전지의 유력한 경쟁후보로 떠오르고 있다. 그러나 태양전지 제작에 사용되는 정공수송체의 가격과 수분에 취약한 단점으로 인해 상용화에 많은 어려움이 있었다.
 
이를 해결하고자 고민재 박사팀은 지구상에 풍부해 저렴한 신규 무기물질 황철석 나노입자를 정공수송층으로 제작했다. 연구진에 따르면 이 신규물질은 표면성질을 개질해 페로브스카이트 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아 화학적 안정성 및 소수성(수분으로부터의 안정성)을 확보할 수 있다.
 
연구팀이 개발한 표면을 개질한 신규 무기물질은 주로 방수제 원료로 사용되는 옥타데실아민(Octadecylamine)이란 물질로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층 제작이 가능하다.
 
연구팀 관계자는 "이번 합성 물질은 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것이 실험을 통해 확인했다"며 "이를 도입해 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록했다. 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증했다"고 설명했다.
 
연구진은 이번에 개발된 신규 무기 소재가 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 안전성 향상에 지대한 기여를 할 것이라고 강조했다. 고민재 박사는 "차세대 태양전지의 상업화를 앞당겼으며, 광 흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기의 전극 등 중요 부품으로 활용돼 자리 잡을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
 
연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 'Advanced Functional Materials' 9일자 표지논문으로 게재됐다.
 
용어 설명

정공수송층 : 태양광에 의해 광흡수층의 엑시톤(exiton)이 전하와 정공으로 분리되어 생성된 정공이 전극 쪽으로 원활하게 이동되어 전류를 생성해 주는 층을 말한다.
 
spiro-OMeTAD : 구매가 가능한 대표적인 유기 홀 전도성 물질(hole conducting material)이다.
 
페로브스카이트 : 1839년도 러시아의 광물학자 Perovski가 발견한 물질 구조의 이름이며, 다양한 전기적 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 결정 구조를 가진 물질이다. 그 중 유기물과 무기물이 혼재된 페로브스카이트 물질은 우수한 광전자 성질을 띄어 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 다양한 연구가 이루어지고 있다.
 
연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 'Advanced Functional Materials' 9일자 표지논문으로 게재됐다.<사진=KIST 제공>연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 'Advanced Functional Materials' 9일자 표지논문으로 게재됐다.<사진=KIST 제공>
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