[한국에너지] 실리콘, 박막 태양전지에 이은 차세대 태양전지에 대한 연구가 활발하다. 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 올리는 탠덤 태양전지는 한계 효율이 44%로 가장 활발히 연구되고 있으며, 건물 벽면과 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅하는 방법으로 제작이 가능한 유기 태양전지는 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다.
이러한 가운데 한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 차세대 태양전지의 정공수송물질을 새롭게 개발해 효율과 안정성을 한층 더 끌어올렸다. 연구진이 개발한 저가의 페노티아진 기반 자기조립단분자막의 중심 황원자(S)를 산소(O) 또는 셀레늄(Se)으로 치환하는 것만으로 상용 정공수송물질과 비교해 높은 효율과 안정성을 보였다.
지금까지 일반구조 대비 역구조 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율은 적절한 정공수송물질의 부재가 가장 큰 원인으로 지적되어 왔는데, 이번 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질 개발을 통해 높은 효율을 달성할 수 있는 발판을 마련했다.
페로브스카이트 태양전지는 높은 광흡수, 저온 용액공정이 가능해 가장 주목받는 태양전지다. 전지 내에서 전자수송층과 정공수송층의 위치를 바꾼 역구조의 페로브스카이트 태양전지는 일반구조 페로브스카이트 태양전지에 비해 모든 소재의 저온공정이 가능하고 전류-전압 곡선 측정 시 히스테리시스가 적어 실리콘 태양전지와 탠덤구조를 만들기 용이해 활발히 연구되고 있다.
역구조 페로브스카이트 태양전지는 유기 태양전지를 기반으로 연구가 진행됐기에 유기 태양전지에 가장 보편적으로 사용되는 PEDOT:PSS(유기 반도체 물질)를 정공수송층에 사용한다. PEDOT:PSS는 높은 전기 전도성을 바탕으로 투명 전도성 기판과 광흡수층 사이에서 효과적으로 정공을 수송할 수 있으나 강산성 특성으로 인해 투명 전도성 기판과 광흡수층을 부식시켜 소자의 수명을 단축시킨다.
연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 자기조립단분자막을 형성하는 페노티아진 물질 내 핵심 원소만을 치환하는 매우 간단한 공정으로 효율과 안정성을 높인 새로운 정공수송물질을 개발했다.
연구진은 페노티아진 head 그룹 중심원자인 황원자를 주기율표 상의 같은 족에 속해 비슷한 화학적·물리적 성질을 가진 산소 또는 셀레늄으로 치환된 새로운 분자를 설계해 역구조의 페로브스카이트와 유기 태양전지의 정공수송층에 적용했다.
