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에너지연, 쌍분자 제어로 페로브스카이트 효율 24.6%
연구진 단체사진(왼쪽부터 안세진 책임연구원, 홍성준 책임연구원, Osigwe Chidingozi Emeka UST학생연구원 / 에너지연 제공
[투데이에너지 임자성 기자] 국내 연구진이 상용화에 유리하지만 미세 결함으로 효율 저하를 겪던 역구조 페로브스카이트 태양전지의 한계를 두 가지 유기 분자의 협력 작용으로 극복했다. 결정 내부와 표면 결함을 단계적으로 메우는 계면 제어 기술을 통해 24.6%에 달하는 고효율을 달성하며 차세대 유연 태양전지 상용화의 교두보를 마련했다.
한국에너지기술연구원 태양광연구실 홍성준 박사 연구진은 울산과학기술원 박영석 교수, 군산대학교 이경구 교수 연구팀과 공동으로 역구조 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 동시에 끌어올리는 ‘쌍분자 패시베이션(결함 제어)’ 원천기술을 개발했다.
페로브스카이트 태양전지는 가볍고 공정이 단순해 차세대 태양광 기술로 각광받고 있다. 특히 위아래 층을 뒤집은 역구조 소자는 저온 공정이 가능해 유연 전지나 탠덤 전지 구현에 유리하지만, 박막 제조 시 결정 경계와 표면에 생기는 결함 탓에 전하가 소멸하는 문제가 상용화의 발목을 잡아왔다. 단일 분자로 표면을 덮던 기존 패시베이션 방식으로는 결정 깊은 곳과 표면 상부의 복합적인 결함을 동시에 해결하기 어려웠다.
연구진은 성질이 서로 다른 두 유기 분자를 순차적으로 투입하는 복합 제어 방식으로 해법을 찾았다. 분자 크기가 작은 프로판-1,3-디암모늄 디아이오다이드(PDAI)를 먼저 주입해 박막 내부 결정립계의 미세 빈틈을 메우고 전자 통로를 확보한 뒤, 불소 기반의 4TF 분자를 연속 코팅해 표면에 잔존하는 납 원자 등 화학적 결함을 결합·안정화했다.
실험 결과, 쌍분자 패시베이션 기술이 적용된 역구조 페로브스카이트 소자는 24.6%(최고 24.61%)의 광전변환효율을 기록했다. 이는 무처리 대조군(21.21%)은 물론 단일 분자 처리군(23.17%)을 크게 웃도는 수치로, 계면 전하 재결합 손실을 최소화하고 개방전압과 충전율을 정량적으로 끌어올린 성과다.
연구를 주도한 홍성준 박사는 “이번 연구는 건물 일체형 창문, 자동차 선루프, 휴대용 기기 등에 쓰일 고효율 유연 태양전지의 실용화를 앞당길 핵심 기술”이라며 “향후 대면적 슬롯다이 코팅 등 모듈화 공정과 접목해 실리콘·페로브스카이트 탠덤 전지 상용화와 탄소중립 실현에 기여하겠다”고 말했다.
이번 연구 성과는 국제 저명 학술지인 ‘ACS 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 게재됐다.
[용어설명]
페로브스카이트(Perovskite): 빛을 효과적으로 흡수해 전기를 생산하는 차세대 태양전지 핵심 반도체 물질.
패시베이션(Passivation): 소재 표면의 미세한 빈틈이나 결함을 분자로 코팅해 전기가 새어나가는 손실을 막는 표면 안정화 공정.
PDAI: 분자 크기가 작고 탄소 사슬 양 끝에 암모늄 이온이 결합된 유기 분자로, 페로브스카이트 내부 결정 경계로 침투해 결함을 보정하는 물질.
4TF: 스타이릴기에 불소(트리플루오로메틸기)와 인산기가 결합된 유기 분자로, 화학적 안정성이 높아 박막 최상부의 잔여 결함을 결합·안정화하는 물질.