DGIST, 피로회복제 성분 ‘타우린’으로 페로브스카이트 태양전지 수명 5배 늘렸다

차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트는 효율은 높지만 빛과 열을 받으면 스스로 무너진다. 연구팀은 그 자가붕괴의 범인을 찾아냈다. 그리고 피로회복제로 익숙한 성분을 해독제로 썼다.

태양전지가 작동 중 스스로 분해되는 원리를 규명하고, 항산화 물질로 이를 막아 수명을 5배 이상 늘린 연구가 나왔다. DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 문병준 박사 연구팀과 공동으로, 피로회복제 성분으로 친숙한 자연 유래 항산화 물질 ‘타우린(taurine)’을 이용해 차세대 페로브스카이트 태양전지의 성능과 수명을 대폭 높였다고 12일 밝혔다.

페로브스카이트는 기존 실리콘을 대체할 고효율 차세대 태양전지로 꼽히지만, 빛이나 열에 노출되면 구조가 쉽게 분해(열화)돼 수명이 짧아지는 ‘불안정성’이 상용화의 가장 큰 병목이었다. 연구팀은 그 분해를 일으키는 범인을 짚어내고, 항산화 물질로 길목을 차단하는 설계법을 제시했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 표지논문으로 게재됐다.

태양전지를 녹이는 ‘활성산소’, 항산화제로 막다

문제의 뿌리는 뜻밖에도 소자 내부에 있었다. 페로브스카이트 태양전지에는 전기를 운반하는 금속산화물 층(주석산화물)과 빛을 흡수하는 페로브스카이트 층이 맞닿아 있다. 태양전지가 작동할 때, 바로 이 금속산화물 층에서 구조를 파괴하는 활성산소의 일종인 ‘초과산화물’이 발생한다.

이 초과산화물이 열화의 범인이었다. 초과산화물은 페로브스카이트를 이루는 유기 성분을 공격해 구조를 빠르게 무너뜨린다. 밖에서 들어오는 수분이나 산소가 아니라, 소자가 작동하는 과정 자체에서 생기는 내부 요인이 수명을 갉아먹고 있었던 것이다. 그동안 이 금속산화물에서 비롯된 초과산화물의 영향은 깊이 연구되지 않았다.

연구팀은 이 범인을 ‘항산화’로 잡기로 했다. 몸속 활성산소를 제거하는 항산화 물질처럼, 소자 안에서도 초과산화물을 계속 제거하면 열화를 막을 수 있다는 발상이다. 여기에 쓰인 것이 피로회복제 성분으로 익숙한 자연 유래 항산화 물질 타우린이다.

적용 방식은 ‘얇게 덧입히기’였다. 연구팀은 금속산화물과 페로브스카이트 층이 맞닿는 경계면에 타우린으로 얇은 항산화층을 입혔다. 작동 중 금속산화물에서 초과산화물이 생겨도 타우린이 이를 지속적으로 제거해, 페로브스카이트가 분해되는 경로를 근본적으로 억제한 것이다.

수명 5배·효율까지…”상용화 앞당길 기반”

타우린의 쓸모는 하나가 아니었다. 경계면에 자리한 타우린은 수명을 지키는 데 그치지 않고 효율도 함께 끌어올렸다. 두 층 사이에서 ‘화학적 다리’ 역할을 해, 경계면에 있는 미세한 결함들을 메우고 전자가 더 원활하게 이동하도록 도운 덕분이다. 열화를 막는 동시에 성능까지 높인 셈이다.

성능은 수치로 확인됐다. 타우린을 적용한 태양전지는 500시간 이상 연속으로 빛을 쬐어도 초기 효율의 95% 이상을 유지하는 광 안정성을 보였다. 특히 실제 구동 안정성 시험에서, 효율이 초기 대비 80%로 떨어지는 데 걸리는 시간(T80)이 기존 23.6시간에서 130시간으로 5배 이상 늘어났다. 실사용 수명을 획기적으로 늘린 결과다.

이 성과의 의미는 ‘왜 무너지는가’를 밝히고 ‘어떻게 막는가’를 함께 제시했다는 데 있다. 최종민 교수는 “이번 연구는 태양전지 구동 중 금속산화물에서 발생하는 초과산화물이 페로브스카이트를 분해한다는 사실을 명확히 밝히고, 계면을 항산화 물질로 설계해 이를 해결한 것에 큰 의미가 있다”며 “향후 페로브스카이트 태양전지의 구동 안정성을 높여 상용화를 앞당기는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.

다만 상용화까지는 넘어야 할 단계가 남아 있다. 연구팀은 후속 연구를 통해 서로 다른 태양전지를 겹쳐 효율을 높이는 탠덤 기술을 적용하고, 1만 시간 이상의 구동 안정성을 확보해야 한다고 밝혔다. 또 현재는 작은 셀 단위여서, 대량 생산을 위한 대면적 공정 기술 개발도 과제로 남아 있다. 실험실 수준의 성과를 실제 제품으로 키우는 길이 다음 과제인 셈이다.