신기술3 // KAIST, 페로브스카이트 태양전지 2차원 보호막 설계기술 개발

편집부 기자
입력 2026.06.01 00:00

KAIST, 페로브스카이트 태양전지 2차원 보호막 설계기술 개발

25% 이상 효율 향상…수명·효율 두 마리 토끼 잡아

차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 효율과 수명을 동시에 25% 향상시키는 보호막 설계기술이 개발됐다. 효율을 높이면 수명이 짧아지고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 이른바 ‘태양전지의 딜레마’를 해결한 것으로, 페로브스카이트 태양전지의 대면적 상용화에 기여할 전망이다.

정리 편집부

자료제공 KAIST

페로브스카이트 태양전지는 전 세계적인 R&D 확대에 따라 효율이 빠르게 향상되고 있지만, 높은 온도·습도 환경이나 장시간 빛에 노출되면 성능이 저하되는 문제가 있다. 그동안은 3차원(3D) 페로브스카이트 결정 위에 2차원(2D) 층을 덧입히는 《3D·2D 구조》 도입을 통해 결함을 줄이면서 안정성을 높여왔다. 하지만 2차원 층이 견고하지 않으면 시간이 지나면서 구조가 변형되거나 성능이 점차 저하되는 한계가 있었다.

대면적 모듈에서도 우수한 성능 확인

KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀과 한국화학연구원 전남중 박사 연구팀은 구조적으로 견고한 《디온-재콥슨(DJ) 구조》에 2차원 페로브스카이트 보호막을 도입, 페로브스카이트 층이 몇 겹으로 쌓였는지를 의미하는 ‘n값’을 정밀 제어하는 설계 전략을 제시했다.

《DJ 구조》는 페로브스카이트 층 사이를 유기 분자가 양쪽으로 단단히 연결해 구조적 안정성을 높이는 방식이다. 쉽게 말하면, 벽돌 사이를 더 강한 접착제로 묶어 구조가 쉽게 무너지지 않도록 한 것과 비슷한 원리다.

연구팀은 열처리 조건을 조절해 2차원 보호막 내부에서 페로브스카이트 층이 쌓이는 구조(n값)를 원하는 방향으로 제어했다. 그 결과, 전하 이동이 더 원활해져 태양전지 효율이 향상됐고 안정성도 개선되는 것을 확인했다. 또 열처리 과정에서 서로 다른 물질이 만나는 계면에서 구조가 재배열되며 2차원 보호막의 내부 구조가 변화한다는 사실도 실험적으로 밝혀냈다.

연구팀은 설계기술을 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.56%의 높은 전력변환효율(공인 효율 25.59%)을 기록했고, 고온·고습 및 장시간 빛 노출 환경에서 장기 안정성을 확인했다.

서장원 KAIST 석좌교수는 “효율을 높이면 수명이 줄고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 기존의 난제를 표면 보호막의 구조 설계를 통해 동시에 해결했다”며 “대면적 모듈 제작에도 적용해 우수한 성능을 확인했고, 향후 상용화를 위한 대면적 제조 공정에 도움이 될 것”이라고 전했다.