태양전지 ‘효율-수명 딜레마’ 해소…KAIST, 페로브스카이트 상용화 장벽 낮췄다
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KAIST 연구진이 태양전지의 효율을 높이면 수명이 짧아지고 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 이른바 ‘태양전지 딜레마’를 동시에 해결하는 기술을 제시했다. 표면 보호막의 내부 구조를 정밀 제어하는 방식으로 25% 이상의 고효율과 장기 안정성을 함께 확보했다.
KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀은 한국화학연구원과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 2차원 보호막 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 권위 학술지 ‘줄(Joule)’ 2월 24일자에 게재됐다.
(상단 원) 전)한국화학연구원 문찬수 박사, (왼쪽부터) 한국화학연구원 전남중 박사, KAIST 이재희 석박통합과정생, KAIST 나하진 석사과정생,
KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수
기후 위기 대응과 에너지 전환이 가속화되면서 태양광 발전의 효율과 신뢰성 확보는 산업 전반의 핵심 과제로 부상하고 있다. 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트는 빠른 효율 개선에도 불구하고 고온·고습 환경과 장시간 광 노출에서 성능이 저하되는 문제가 상용화의 제약으로 지적돼 왔다.
기존에는 3차원 페로브스카이트 위에 2차원 층을 덧입히는 ‘3D/2D 구조’가 활용됐다. 표면 결함을 줄이고 안정성을 높이는 방식이지만 2차원 층의 구조적 취약성으로 시간이 지나면 성능이 저하되는 한계가 있었다.
연구팀은 보다 안정적인 디온–재콥슨(Dion–Jacobson, DJ) 구조의 2차원 보호막을 도입하고, 보호막 내부에서 페로브스카이트 층의 적층 정도를 의미하는 ‘n값’을 정밀하게 제어하는 설계 전략을 적용했다. 유기 분자가 층 사이를 양방향으로 연결하는 DJ 구조를 통해 구조적 결속력을 높이고, 열처리 조건을 조절해 내부 구조를 균일하게 형성했다.
이 과정에서 전하 이동 특성이 개선되며 발전 효율이 상승했고, 동시에 구조적 안정성이 강화되면서 장기 성능 유지 능력도 확보됐다. 특히 열처리 과정에서 계면 구조가 재배열되며 보호막 내부 구조가 변화한다는 메커니즘을 규명하고, 이를 제어할 수 있는 공정 조건을 제시한 점이 핵심 성과로 평가된다.
해당 기술이 적용된 태양전지는 전력변환효율 25.56%(공인 효율 25.59%)를 기록했다. 85℃, 상대습도 85%의 가혹 조건과 지속적인 광 조사 환경에서도 성능을 유지하며 장기 안정성이 검증됐다. 연구팀은 대면적 모듈 제작에서도 동일한 설계 전략을 적용해 상용화 가능성을 확인했다고 설명했다.
서장원 석좌교수는 “효율과 수명 간 상충 관계를 표면 보호막 구조 설계로 동시에 해결한 연구”라며 “공정 조건 변화에도 안정적으로 작동하는 특성을 확보해 대면적 제조 공정으로의 확장 가능성을 제시했다”고 밝혔다.
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