페로브스카이트 박막 표면 결함 줄여 세계 최고 수준 효율 달성
전북대학교 나석인 교수(유연인쇄전자전문대학원) 연구팀이 첨가물을 이용한 ‘고품질 페로브스카이트(Perovskite) 박막형성 기술’을 개발했다고 14일 밝혔다. 특히 연구팀은 이를 적용해 세계 최고 수준의 효율을 달성함으로써 ‘고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지’의 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열었다.
태양전지의 핵심은 태양 빛을 흡수해 전기를 생산하는 광활성층으로, 페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물로 구성되고 칼슘티타네이트(CaTiO3)와 동일한 페로브스카이트 결정구조를 가지는 광흡수 특성이 우수한 소재를 광활성층으로 사용한다. 이런 이유로 페로브스카이트 태양전지는 저온/용액공정을 통해 값싸고 손쉽게 제조할 수 있을 뿐만 아니라 고효율의 태양전지 제조가 가능해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 후보 중 하나로 꼽힌다.
페로브스카이트 태양전지 상용화는 광흡수 특성이 높은 고품질의 대면적 페로브스카이트 광활성층을 얼마나 튼튼하고 안정적으로 제조할 수 있는가에 달려있다. 이 부분에서 고품질 대면적 페로브스카이트 광활성층 제조 및 안정성 향상은 상용화를 위해 해결해야할 과제다.
그러나 기존 페로브스카이트 광활성층 내부 및 표면에 존재하는 다수의 결함에 의해 효율이 저하되고 안정성에 치명적인 문제들이 발생되고 있다.
나석인 교수팀은 이를 해결하기 위해 두 가지 기능기를 동시에 가지는 새로운 유기물 첨가제를 도입하고, 기능기의 역할을 밝히는 것에 역점을 뒀다.
이번 연구에서 도입된 새로운 유기물 첨가제가 페로브스카이트 박막 내부 및 표면의 결함을 줄이고 보완함으로써 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시켰다. 수산화 말단 기능기(-OH)에 의한 선택적 양이온 착화물의 형성으로 페로브스카이트 결정성장이 제어되고 결함이 감소된 것이라고 연구팀은 설명했다.
실제로 이 페로브스카이트 태양전지는 단위소자에서 21.0%의 높은 효율을 기록했으며, 대면적 소자에서는 세계 최고 수준인 20.4%의 효율을 달성한 것으로 나타났다.
또 이 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 광활성층을 수분과 공기로부터 안전하게 보호하는 봉지(encapsulation)를 하지 않은 상태로 상대습도 30~40%인 조건에서 60일 동안 초기 효율의 72%를 유지, 상대습도가 50%~60%인 조건에서 104일 동안 초기 효율의 36%를 유지함으로써 높은 수분안정성과 장기구동 안정성이 확인됐다.
이번 연구를 주도한 권성남 연구교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 빠르게 발전하여 이제는 실리콘 태양전지에 견줄 수 있을 만큼 효율이 향상되었지만 상용화를 위한 기술 확보는 더딘 상태”이라며 “이번 연구결과는 향후 고효율 대면적 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 초석이 될 것”이라고 말했다.
전북대학교 권성남 연구교수, 나석인 교수, 최미정 석사과정, 전력연구원 김도형 박사가 주도한 이번 연구결과는, 에너지과학 분야 세계적인 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 2020년 5월 게재됐다. (논문명: Functional additives for high-performance inverted planar perovskite solar cells with exceeding 20% efficiency: selective complexation of organic cations in precursors)
이번 연구는 ‘한국전력연구원 (주력연구사업)’과 ‘한국연구재단 (기초연구사업)’의 지원을 통해 수행되었다.
