바닥층 맞춘 원료 조정으로 태양전지 효율 26.3%

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 석상일 특훈교수팀이 정구조 페로브스카이트 태양전지용 원료를 역구조 전지에 적용할 때 발전 성능이 급격히 낮아지는 원인을 규명했다. 전지 맨 아래에 놓이는 재료의 특성이 빛을 흡수하는 결정의 성장 과정에 영향을 준 결과였다. 연구팀은 바닥 재료에 맞춰 원료 조성을 바꾸는 방식으로 역구조 전지의 최고 효율을 26.3%까지 높였다.

정구조에서 26%가 넘는 효율을 보인 기존 배합은 역구조에 그대로 쓰면 평균 효율이 18%, 최고 효율이 21% 수준에 머물렀다. 정구조의 바닥에서는 원료 용액이 원활하게 퍼지지만, 역구조에 쓰이는 유기막에서는 용액이 잘 퍼지지 않았다. 이에 결정 성장을 돕는 염화메틸암모늄이 제때 빠져나가지 못한 채 바닥 가까이에 남았고, 접촉면에 빈틈과 균열을 만들어 전하 손실을 일으켰다.

연구팀은 염화메틸암모늄의 양을 줄이고 염화납을 새로 넣어 결정이 형성되는 시점과 위치를 균일하게 조절했다. 개선된 배합에서는 바닥 부근의 빈틈과 균열이 사라졌으며, 전기를 실제로 뽑아내는 비율인 충전율은 86.8%에 도달했다. 외부 공기를 막는 봉지 처리를 거친 전지는 상온에서 1만 시간 보관한 뒤에도 처음 효율의 97.4%를 유지해 장기 보관 안정성도 확인됐다.

페로브스카이트 태양전지는 용액을 바른 뒤 굳혀 흡광층과 전하 이동용 기능성 물질을 쌓는 방식으로 제작돼 실리콘 전지보다 얇고 가볍게 만들 수 있다. 특히 역구조 전지는 실리콘 전지 위에 올리는 탠덤 태양전지의 상부 전지로 주로 활용되며, 빛과 전기 손실을 줄여 전체 효율을 높이는 역할을 한다. 이번 연구는 동일한 원료라도 적층 순서와 바닥 재료에 맞춘 조성 설계가 필요하다는 점을 구체적으로 확인했다.