금속이온 확산에 대한 화학적 장벽 역할을 하는 페릴렌 디이미드 분자를 활용해 안정성이 향상된 광전기화학 장치 개략도.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 높은 효율로 장시간 구동이 가능해 페로브스카이트 태양전지 상용화와 그린 수소 생산 기술에도 영향을 큰 영향을 미칠 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 주석-납 할로겐화합물 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입했다. 태양전지 소자의 안정성과 효율을 동시에 향상하는 획기적인 기술이다.

장성연 교수는 “개발된 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 광전기 화학 소자의 새로운 구조를 제시했다”고 설명했다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 ‘광전자’ 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.

연구팀은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 도입했다. 페릴렌 디이미드는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다.

이번 연구를 수행한 UNIST 공동 연구진.[UNIST 제공]

페릴렌 디이미드를 적용한 소자의 경우, 높은 광전변환효율(23.21%)을 보임과 동시에 60℃에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지하며 높은 안정성을 보였다.

연구팀은 개발된 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. TLHP 기반의 광전극을 농업폐기물과 같은 목질계 바이오매스 분해 과정에서 나오는 전자를 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33.0mA/cm2의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 이는 미국 에너지부의 1-sun 조건(100mW/㎠의 태양빛이 쪼여지는 조건) 아래 태양광 수소 생산의 최종 목표치보다 높은 수치다.

장성연 교수는 “이번 연구를 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 큰 이슈 중 하나였던 소자의 장기안정성을 획기적으로 증가 시켰다”며 “우리는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것에 그치지 않고 수소와 같이 산업의 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표”라고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 11월 30일 온라인 게재됐다.