페로브스카이트 태양전지 성능을 한층 더 발전시킬 수 있는 기술이 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 공동연구를 통해 주석–납 할로겐화물 페로브스카이트 광활성층과 양자점층을 접합해 태양전지 소자의 효율을 큰 폭으로 개선할 수 있는 기술을 개발했다.
결합된 소재가 접합되며 만들어진 박막층을 활용해 전지의 효율을 대폭 상승시켰다. 생성된 접합층은 내부 전기장을 강화시키고, 경계면의 결함을 대폭 감소시켜 전하의 이동 거리를 늘렸다. 전하추출의 효율을 높인 것이다.
주석-납 할로겐화물 화합물은 밴드간의 에너지 갭의 차이가 적다. 근적외선 영역대 빛까지 흡수하는 능력이 뛰어나지만, 내부결함이 많고 전하의 이동 거리가 짧아 전하를 안정적으로 추출하기 어려웠다.
연구팀은 페로브스카이트 양자점을 주석–납 페로브스카이트 층 위에 박막으로 덮어 기존의 고질적 문제를 개선했다.
그림1. 주석-납 기반 페로브스카이트 박막에 양자점 처리 전과 후의 에너지 준위와 표면 이미지(top-view SEM)
주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 박막 표면에 양자점 소재를 씌우면 양자점 표면에 존재하는 ‘올레일 리간드’가 페로브스카이트 표면에 있는 결함 부위를 대폭 개선하며 박막의 안정성이 향상됨을 확인했다.
소재가 달라 발생하는 특성 차이 덕분에 전자 추출이 용이하도록 에너지준위가 정렬되며 효율적으로 전하를 수집한다는 사실도 발견했다. 태양광에 의해 생성된 전하를 더 많이 추출할 수 있게 된 것이다.
개발된 기술로 제작된 소자는 지금까지 보고된 주석–납 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지의 최고 광전변환효율인 23.74%를 달성했다. 기존 방식으로 제작했을 경우 19% 효율을 보인 것과 대비해 약 20% 성능이 향상된 것이다.
장성연 교수는 “차세대 태양전지 핵심 분야로 연구되고 있는 양자점 기술과 페로브스카이트 태양전지 기술의 만남은 고효율 태양전지를 향한 새로운 방향을 제시할 것이다”며 “이러한 발견은 재료의 양자화를 통해 발생한 특성 변화를 활용하는 매우 적절한 연구 예시가 될 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 Muhibullah Al Mubarok 박사, 김유진 석·박통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 Advanced Energy Materials에 2월 20일 온라인 개재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.
