에너지과학과 신현정‧화학공학과 박남규 교수 연구팀, 

페로브스카이트 태양전지 안정화 기술 개발

- 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화 가능성 앞당길 것으로 기대

[그림] 박남규 교수, 신현정 교수, 서성록 박사(왼쪽부터)

성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 신현정 교수(제1저자 서성록 박사)와 화학공학과 박남규 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 고효율 및 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

연구진은 비정질 이산화 티타늄 박막의 페로브스카이트 태양전지 적용에 대한 새로운 활용법을 연구하여, 기존 태양전지의 효율증가와 안정성을 약 3배 이상 향상시킬 수 있는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 안정화 기술을 개발한 것이다. 이로써 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 빛, 수분, 열 등의 다양한 환경요인에 의해 열화가 촉진되며, 태양전지의 안정성이란 이러한 요인들에 저항해 초기의 성질을 유지하는 능력을 뜻한다. 연구진은 페로브스카이트 소재 자체뿐만 아니라 소자를 이루는 다양한 구성층(전하수송층 및 전극)의 안정성 도모를 통해 태양전지의 열화를 막는 연구를 추진했다.

페로브스카이트 태양전지의 유기 정공수송층(Spiro-OMeTAD)은 고효율 특성을 위한 필수적인 구성층이지만, Li 첨가제 및 상부 전극물질의 확산문제로 인해 소자의 장기수명을 저하시키는 주요인이다. 이에 연구팀은 이러한 물질 확산에 의한 열화를 방지하는 방법으로 원자층 증착법을 이용한 Spiro-OMeTAD/TiO2 복합층을 고안했다.

원자층 증착법은 조밀한 막질을 균일하고 정밀하게 성장시킬 수 있는 박막형성법으로 Spiro-OMeTAD와 전극 사이에 위치할 경우 우수한 확산방지막으로 활용될 수 있으나, 이 경우 홀수송이 가능한 p형반도체만이 가능하다는 기술적 한계가 있었다.

TiO2 박막은 근본적으로 n형 반도체의 성질이 있지만, 원자층 증착법을 활용해 비정질 TiO2 박막을 형성했을 때 고밀도의 트랩준위형성으로 홀을 수송할 수 있는 충분한 채널이 형성됨을 확인하였고, 연구팀은 이를 홀수송이 가능하며 동시에 이온 확산을 방지하는 복합기능성 박막으로 활용하였다.

[연구 그림] 페로브스카이트 태양전지 효율 특성 평가 곡선 (전류밀도 vs. 개방전압)

본 연구에서 제작한 페로브스카이트 태양전지는 기존 소자 대비 실제 작동환경(1sun, AM 1.5G illumination with maximum power point tracking)에서 약 3배 이상 향상된 안정성을 보여주었다.

페로브스카이트 태양전지의 수명 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학정보기술통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 ACS Energy Letters(IF = 23.101), JCR 상위 3.58%(12/335, 재료과학/융복합분야)에 8.27(금) 게재되었다.