이번 연구를 수행한 이정용 KAIST 교수 연구팀.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 일론 머스크가 우주 AI 데이터센터 구축을 위한 우주 태양광의 핵심으로 꼽은 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 해결한 연구성과가 도출됐다.

한국연구재단은 KAIST 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 물리학과 이상민 교수 연구팀, 고려대학교 곽상규 교수 연구팀과 함께 봉지재 없이도 고온·고습 환경을 견디는 27%급 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현했다고 19일 밝혔다.

봉지재(Encapsulation)는 태양전지를 외부 수분과 산소로부터 보호하는 밀봉 보호층으로 안정성은 높이지만 제조 비용과 무게를 증가시키는 요인으로 작용한다.

페로브스카이트 태양전지는 광전 변환 효율이 높고 가벼워 차세대 전지로 꼽히지만, 수분과 열에 취약해 장시간 안정적인 작동이 어려워 문제 해결을 위해 봉지재를 사용해야 하는 한계가 있다.

연구팀은 기존 하이브리드 구조에서 유기 고분자를 사용할 경우 전하 이동이 원활하기 못해 정공이 축적되고, 실제 소자 작동 전압에서 ‘S자형 전류-전압 왜곡’이 발생한다는 점에 주목했다.

3차원 다중물리 모사와 초고속 분광 분석으로 이러한 현상이 성능 저하의 핵심 원인임을 규명하고, 이를 해결하기 위해 깊은 에너지 준위를 갖는 ‘PM1’ 유기 고분자를 도입했다.

정공 전달 계단구조 설계 원리.[KAIST 제공]

PM1은 전하가 특정 계면에 쌓이지 않고 단계적으로 이동하도록 에너지 흐름을 정렬해 S자형 왜곡을 제거했으며, 최고 효율 27.18%와 세계 최고 수준의 공인 효율 26.71%를 달성했다.

PM1 기반 층은 근적외선 흡수와 전하 이동을 돕고, 외부 수분 침투를 차단하는 보호층 역할도 수행, 봉지재 없이 85°C·85% 상대습도 조건에서 3,000시간 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지했다.

연구팀의 예측 결과, 상온(25℃) 기준 T80(초기 효율의 80%에 도달하는 시간)이 3만 5590시간으로 환산돼 봉지재 없이도 약 4년급의 장기 안정성을 확보할 수 있음을 제시했다.

이정용 교수는 “이번 성과는 페로브스카이트 태양전지의 효율-안정성 간의 상충 관계를 새로운 전자구조 설계로 극복한 것으로 차세대 태양전지 상용화에 중요한 의미가 있다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 5월 18일 온라인 게재됐다.