국내 연구진이 녹나무 유래 물질을 활용해 태양전지의 핵심 부품인 페로브스카이트 태양전지의 효율과 수명을 모두 개선하는 데 성공했다.
UNIST(울산과학기술원) 에너지화학공학과 양창덕 교수 연구팀은 29일 녹나무에서 추출한 캠퍼(camphor)에 산화 작용기가 결합된 ‘캠퍼퀴논(camphorquinone)’을 첨가제로 사용해 고품질 페로브스카이트 박막을 합성했다고 밝혔다. 해당 기술은 태양전지의 수명과 효율을 동시에 높이면서도 공정을 단순화해 제조 비용을 절감하는 데도 기여할 것으로 보인다.
페로브스카이트 박막은 수많은 결정 입자로 구성된다. 박막 입자의 크기와 배열은 전지의 성능을 좌우하는데 일반적으로는 첨가제를 서서 결정 구조를 조절하지만, 첨가제가 박막 내에 남으면 오히려 성능 저하의 원인이 된다. 연구진은 고체 상태에서 기체로 바로 증발하는 ‘승화성’을 가진 ‘캠퍼퀴논’을 이용해 이 한계를 극복하고자 했다. 캠퍼퀴논은 녹나무 추출물인 캠퍼(camphor)에 산화 작용기가 추가된 물질이다. 캠퍼퀴논은 1차 열처리 때 일부가 승화돼 균일한 결정 씨앗 생성을 돕고, 남은 물질은 결정 성장 단계까지 머무르다 2차 열처리에서 모두 사라진다. 덕분에 잔여물이 전혀 남지 않으면서도 결정의 품질을 극대화할 수 있다.
박지원 박지원 UNIST 연구원은 “캠퍼퀴논은 작용 시점을 결정 성장 단계에 맞춰 정밀하게 조절할 수 있어, 최종 박막에 아무 흔적도 남기지 않는다”며 “이 점이 고효율과 장수명의 비결”이라고 설명했다. 실제로 연구팀이 개발한 박막으로 제작한 태양전지는 광전변환효율(PCE) 25.2%를 기록했다. 이는 첨가제를 쓰지 않은 대조군(23.0%) 대비 약 9.6% 향상된 수치다. 또 실제 사용 조건을 모사한 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 테스트에서도 1000시간 동안 초기 효율의 90% 이상을 유지해, 수명 성능이 대조군의 2배 이상으로 늘었다. MPPT는 태양전지가 인공태양 아래에서 최대 출력을 낼 수 있도록 설정한 평가 기준이다.
양창덕 교수는 “본 연구에 활용된 캠퍼 및 캠퍼퀴논은 천연 유래의 친환경 물질로, 독성이 낮고 자원 확보가 비교적 용이하다는 장점을 지닌다”며 “이는 향후 태양전지 산업에서의 지속가능성(sustainability) 및 환경·사회·지배구조(ESG) 요소를 충족하는 데 있어 중요한 기반을 제공할 수 있다”고 설명했다.
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