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국내 연구진이 서로 다른 특성의 두 분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 미세 결함을 효과적으로 제어하는 기술을 개발하며 고효율·고안정성 유연 태양전지 상용화 가능성을 높였다.

한국에너지기술연구원(원장 이승재, 이하 에너지연)은 태양광연구실 홍성준 박사 연구진과 울산과학기술원(UNIST) 박영석 교수, 군산대학교 이경구 교수 연구진이 공동으로 역구조 페로브스카이트 태양전지의 표면 결함을 효과적으로 제어하는 ‘쌍분자 패시베이션’ 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 가볍고 제조가 쉬워 차세대 태양광 발전 기술로 주목받고 있다. 특히 역구조 페로브스카이트 태양전지는 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있어 유연 기판 및 다양한 응용 분야에 적용하기 유리하다.

하지만 페로브스카이트 박막을 형성하는 과정에서 결정 경계와 표면에 미세한 결함이 발생하고, 이로 인해 전하가 이동하는 과정에서 손실이 발생한다. 이러한 결함은 태양전지의 효율을 떨어뜨릴 뿐 아니라 소자의 장기 안정성을 저해하는 요인으로 꼽힌다.

기존에는 이러한 결함을 줄이기 위해 태양전지 표면에 얇은 분자층을 형성하는 패시베이션 기술이 활용됐다. 그러나 단일 분자만 사용할 경우 결정 경계 내부와 표면에 존재하는 서로 다른 형태의 결함을 동시에 효과적으로 제어하는 데 한계가 있었다.

연구진은 이 같은 한계를 극복하기 위해 서로 다른 결합 특성을 가진 두 종류의 유기분자를 순차적으로 적용하는 쌍분자 패시베이션 전략을 제시했다.

먼저 크기가 작은 PDAI 분자를 적용해 페로브스카이트 결정 경계에 존재하는 미세한 빈 공간과 결함을 메우고 전하 이동 경로를 안정화했다. 이어 4TF 분자를 활용해 페로브스카이트 표면에 존재하는 불안정한 납 원자와 결합시킴으로써 표면의 화학적 안정성을 높였다.

두 분자는 서로 다른 위치와 결함에 작용해 단일 분자 처리 방식의 한계를 보완했다. 연구진은 실험을 통해 PDAI와 4TF를 각각 단독으로 적용하는 것보다 두 분자를 순차적으로 함께 처리했을 때 결함 제거와 표면 안정화 효과가 상호 보완되면서 태양전지 성능이 향상되는 것을 확인했다.

실제 제작된 역구조 페로브스카이트 태양전지는 24.6%의 변환효율을 기록했다. 이는 표면처리를 하지 않은 대조군의 21.21%보다 높았으며, PDAI만 단독 적용한 소자의 23.17%보다도 향상된 수치다.

이번 연구는 태양전지의 미세 결함을 하나의 방식으로 일괄 처리하는 대신 결함의 위치와 특성에 맞춰 서로 다른 분자를 조합하는 전략을 통해 효율과 안정성을 동시에 확보했다는 점에서 의미가 있다.

홍성준 에너지연 박사는 “이번 성과는 건물 창문이나 자동차 선루프, 휴대용 기기 등에 활용되는 고효율 유연 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 원천기술”이라며 “향후 고성능 차세대 태양전지 제품군으로 응용해 친환경 재생에너지 시장에서 기술 경쟁력을 높이겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 4월호에 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)