리튬염으로 차세대 태양전지 성능·안정성 동시 향상

주석-납 페로브스카이트 결함 제어로 효율 27.47% 달성
장기 안정성 확보…상용화 가능성 한층 높여

경북대학교(총장 허영우) 신소재공학과 이상욱 교수 연구팀이 차세대 태양전지 기술 상용화를 앞당길 중요한 성과를 거뒀다.

고려대 김동회 교수팀, 성균관대 박지상 교수팀과의 공동 연구를 통해 리튬염을 활용한 결함 제어 기술을 개발, '올-페로브스카이트(All-perovskite) 탠덤 태양전지'의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다.

페로브스카이트 태양전지는 얇고 유연하며 생산비가 낮고 높은 효율을 자랑해 기존 실리콘 태양전지를 대체할 유력 후보로 주목받고 있다. 특히 서로 다른 파장의 빛을 흡수할 수 있는 두 개의 페로브스카이트 층을 조합한 '올-페로브스카이트 탠덤 태양전지'는 기존 단일 접합 태양전지보다 더 높은 효율을 낼 수 있어, 우주용 태양전지 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성이 기대된다.

하지만 하부 셀에 사용되는 주석-납 혼합 페로브스카이트 층은 소재 내 결함이 많고 산화에 취약해 상용화에 큰 장애물이 되어왔다. 이에 연구팀은 '리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐) 이미드(Li-TFSI)'라는 리튬염을 활용해 소재의 표면과 내부 결함을 동시에 비활성화(passivation)하는 기술을 개발했다.

구체적으로, 리튬 이온(Li⁺)이 내부 결함을 보완하고, TFSI⁻ 이온이 표면 결함을 제거해 전하 재결합을 억제함으로써 전력 변환 효율을 27.47%까지 끌어올렸다. 또한 표면에 남은 TFSI⁻ 이온이 산화로부터 소재를 보호해 장기 안정성도 대폭 향상됐다.

이상욱 교수는 "리튬염을 활용해 페로브스카이트 탠덤 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다"며 "이번 연구가 차세대 태양전지 기술의 상용화 가능성을 한층 더 높이는 계기가 될 것"이라고 강조했다.

이번 연구의 제1저자는 윤영훈 박사(2022년 8월 경북대 졸업, 현 독일 헬름홀츠 베를린 재료·에너지연구소 연구원)이며, 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 ▷미래유망융합기술파이오니어 사업 ▷단계도약형 탄소중립기술개발 사업 ▷나노소재기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 국제저명학술지 '인포맷(InfoMat)'의 표지논문(Inside front cover)으로 지난 14일에 발표됐다.