에너지화학공학과·화학과 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 결함 문제를 해결해 효율성과 안정성을 획기적으로 개선했다. 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성이 한층 높아질 전망이다.
김진영, 김동석 교수와 이근식 교수팀은 페로브스카이트 광활성층과 전자수송층 사이에 양방향 조율 분자를 넣어 이온 배열을 정밀하게 조절하고, 구조의 불규칙성을 줄이는 데 성공했다.
그림1. 양방향 조율 분자 도입을 통한 페로브스카이트 결정성 변화 및 두께-기반 광발광 분석 개략도
페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저렴한 제조 비용 덕분에 주목 받아왔지만, 여러 결함 문제로 상용화가 어려웠다. 연구팀은 결함을 해결하기 위해 트리플루오로아세테이트(TFA-)라는 특수한 이온을 페로브스카이트와 전자수송층인 주석산화물 박막 사이에 넣었다.
그림2. 양방향 조율 분자 도입을 통한 페로브스카이트 결정성 변화, 잔여 인장 변형, 두께-기반 광발광 분석 그리고 결정 구조 방향성 분석 개략도
TFA-의 카복실레이트 그룹(-COO-)은 주석산화물에 단단히 붙어 구조를 안정시켰다. 동시에 –CF3 그룹은 페로브스카이트 층과 상호작용하는 양방향 조율 분자를 통해 결함을 효과적으로 줄였다.
그림3. 페로브스카이트와 양방향 조율 분자와의 상호작용 분석 및 결함 밀도 조사 개략도
연구팀은 페로브스카이트 박막의 불규칙한 구조를 제어하고, 전하가 이동하는 특성을 크게 개선했다. 이 기술로 제작된 태양전지는 25.60%의 높은 효율을 기록했으며, 장시간 빛을 받는 상황에서도 뛰어난 안정성을 유지했다.
김동석 교수는 “페로브스카이트 박막의 하부 결함을 극복하는 중요한 돌파구를 마련했다”며 “이 성과는 페로브스카이트 태양전지의 상업화 가능성을 한층 더 높여줄 것”이라고 말했다.
연구에는 이재휘 석·박 통합과정 연구원, 신윤섭 박사, Elham Oleiki 박사가 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 7월 Energy & Environmental Science 온라인 저널에 게재됐다.
