DGIST·KIST 공동연구팀, 타우린 활용한 고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발

태양전지 수명 5배 이상 연장... 차세대 태양광 발전 기술 경쟁력 강화 기대

[프라임경제] 피로회복제 성분으로 익숙한 타우린이 차세대 태양전지의 수명을 획기적으로 늘리는 핵심 소재로 주목받고 있다. 

최종민 DGIST 교수(왼쪽)와 최성민 석·박사통합과정생이 타우린을 활용한 차세대 페로브스카이트 태양전지 연구 결과물을 살펴보고 있다. ⓒ DGIST

국내 연구진이 타우린을 활용해 페로브스카이트 태양전지의 성능 저하를 막고, 기존보다 5배 이상 오래 작동할 수 있는 기술을 확보하면서 차세대 태양광 발전의 상용화 가능성을 높였다.

DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀과 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 문병준 박사 연구팀은 공동연구를 통해 타우린을 태양전지 내부에 적용하는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 성과의 핵심은 태양전지가 작동하는 과정에서 발생하는 화학적 손상 요인을 찾아내고, 이를 차단할 수 있는 방법을 제시했다는 데 있다.

페로브스카이트 태양전지는 높은 발전 효율과 차세대 에너지 소재로서의 잠재력에도 불구하고 장기간 빛과 열을 받으면 내부 결정 구조가 손상되는 취약성을 안고 있다.

초기 성능이 우수하더라도 시간이 흐르면서 발전 효율이 떨어지는 탓에 실제 산업 현장에 적용하기 위해서는 내구성 확보가 필수적인 과제로 꼽혀 왔다.

연구진은 태양전지 내부에서 전자의 이동을 담당하는 주석산화물 층에 주목했다. 이 물질이 페로브스카이트와 접촉하는 과정에서 초과산화물이라는 활성산소가 만들어지고, 이것이 주변 소재를 공격해 전지의 수명을 단축시키는 원인으로 작용한다는 점을 밝혀냈다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 두 소재가 맞닿는 부분에 타우린을 도입했다. 항산화 특성을 가진 타우린이 유해 활성산소를 제거하도록 해 태양전지 내부에서 진행되는 분해 반응을 억제하는 방식이다.

여기에 타우린은 서로 다른 두 소재 사이의 결합을 돕는 역할도 했다. 접합 부위에 존재하는 미세한 결함을 줄이고 전자가 이동하는 통로를 개선하면서 내구성뿐 아니라 전기적 성능까지 높이는 효과를 확인했다.

실험에서도 뚜렷한 개선 효과가 나타났다. 타우린을 적용한 태양전지는 500시간 넘게 빛을 조사한 뒤에도 초기 발전 효율의 95% 이상을 유지했다. 실제 전기를 생산하는 구동 환경을 가정한 시험에서는 초기 효율의 80% 수준에 도달하기까지 기존 23.6시간이 걸렸던 것이 130시간으로 연장됐다.

이는 동일한 성능 유지 기준에서 작동 안정성이 기존보다 5배 이상 개선된 결과다. 태양전지의 효율을 높이는 데 집중했던 기존 연구에서 한 걸음 더 나아가, 성능 저하를 일으키는 근본적인 화학 반응을 제어했다는 점에서 기술적 가치가 있다는 평가다.

특히 이번 연구는 계면에서 발생하는 활성산소를 태양전지 수명 단축의 주요 원인으로 제시하고, 항산화 물질을 활용해 이를 제어할 수 있다는 새로운 접근법을 입증했다. 

향후 페로브스카이트 태양전지의 장기 신뢰성을 확보하고 대면적 제조 및 상용화 기술을 발전시키는 데도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

최종민 DGIST 에너지공학과 교수는 "이번 연구가 태양전지 내부의 초과산화물 생성과 소재 분해 사이의 연관성을 규명하고, 항산화 물질을 이용한 계면 설계로 문제를 해결했다"는 점에서 의미가 있다고 설명했다. 아울러 차세대 태양전지의 장기 구동 안정성을 확보하는 기술적 토대가 될 것으로 전망했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 이노코어(InnoCore) 프로그램을 통해 수행됐다. 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 'Advanced Energy Materials'에 표지논문으로 게재됐다.