[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

페로브스카이트 태양전지는 저비용으로도 높은 효율을 낼 수 있어 차세대 태양전지의 강력한 후보로 꼽힌다. 현재 개발 중인 페로브스카이트 태양전지는 정구조(SnO₂ 전자수송층 / FAPbI₃ 흡수층 / spiro-OMeTAD 정공수송층) 태양전지가 주류를 이루고 있다. 이 전지의 spiro-OMeTAD는 자체 전도성이 낮아, 이를 보완하기 위해 리튬염(Li-TFSI)과 액상 보조 첨가제인 tBP(4-tert-butylpyridine)가 널리 사용돼왔다. 문제는 tBP가 고온(65~85℃) 환경에서 쉽게 증발하고 부식성이 강해 리튬 이온을 제대로 잡아두지 못한다는 점이다. 이 과정에서 부산물과 핀홀이 생겨 층간 접촉을 무너뜨리고, 시간이 지나면서 납(Pb)과 요오드(I) 같은 이온 이동과 탈도핑(de-doping)이 가속돼 출력이 급격히 떨어지는 현상으로 이어진다. 이에 따라 연구진은 휘발하지 않으면서 Li-TFSI와 잘 결합할 수 있는 고체 첨가제를 개발하고자 했다.

2.연구내용

연구진은 새로 개발한 4CP를 정공수송층(spiro-OMeTAD)에 적용했다. 4CP는 분자 구조 속 피리딘기가 리튬 이온을 잘 잡아주고, 카바졸기를 도입해 쉽게 날아가지 않도록 만든 고체 물질이다. 이 덕분에 기존 tBP보다 휘발성이 낮고 열에 강해, 고온에서도 오래 버틸 수 있었다. 또한 Li-TFSI와 잘 섞여 안정적인 복합체를 형성해 침전이 생기지 않고, 층과 층 사이의 접촉도 균질하게 만들어 전하 이동이 원활해졌다.

후열처리(PHT) 과정을 거치면 4CP는 spiro-OMeTAD의 산화를 촉진해 전도도와 에너지 준위를 개선한다. 반대로 tBP는 열을 받으면 쉽게 증발해 핀홀과 불필요한 부산물이 생겨 성능이 떨어졌다. 원자 수준 계산과 분자 시뮬레이션에서도 4CP가 리튬 이온을 안정적으로 잡아주고 응집을 막는다는 점이 확인됐다. 실험적으로도 4CP를 쓴 경우 도핑 상태가 유지됐지만, tBP를 쓴 경우 도핑이 풀리고 부산물이 생겨 불안정해졌다. 계면 분석에서는 tBP를 쓴 전지에서만 납(Pb)과 요오드(I) 이온 이동이 심하게 관찰됐다. 반면 4CP를 쓴 경우 이런 열화 현상이 크게 억제됐다.

성능 면에서도 효과가 뚜렷했다. 4CP를 적용한 소자는 최고 26.2%의 광전변환효율(공인 25.8%)을 기록했다. 65℃ 환경에서는 1300시간 이상, 85℃에서도 400시간 이상 효율의 80%를 유지해 장시간 작동했다. 반대로 tBP를 쓴 소자는 각각 1000시간, 120시간 만에 성능이 크게 떨어졌다. 장기 구동 시험에서도 4CP를 적용한 소자는 3000시간 이상 안정적인 출력을 유지했으며, 극한 온도 변화(−80~80℃)를 200회 반복한 뒤에도 초기 성능의 90% 이상을 지켰다.

3.기대효과

이번 연구는 휘발성 액상 첨가제(tBP)를 완전히 대체할 수 있는 고체 첨가제를 제시해, 페로브스카이트 태양전지 상용화를 가로막던 안정성 문제를 근본적으로 해결할 수 있음을 보여줬다. 4CP 기반 전지는 26.2%의 세계적 수준 효율과 함께 고온·장시간 구동·극한 온도 충격 조건에서도 성능을 유지해, 실사용 환경에 필요한 내구성을 입증했다.

특히 4CP는 기존 정공수송층(spiro-OMeTAD) 공정과 그대로 호환돼 별도의 장치나 제조 공정 변경이 필요하지 않아, 양산 전환 장벽이 낮다는 점이 큰 장점이다. 따라서 대면적 모듈이나 건물일체형 태양전지(BIPV) 등 실용적 응용으로의 확장이 기대된다.

또한 −80~80℃를 오가는 열충격 시험에서도 성능이 유지된 만큼, 우주 환경이나 고온 산업 현장과 같은 극한 조건에서의 활용 가능성도 열렸다. 이번 연구는 소재 교체만으로 안정성을 비약적으로 높이는 새로운 전략을 제시함으로써, 페로브스카이트 태양전지를 상용화 단계로 끌어올릴 중요한 전환점이 될 것으로 평가된다.

[붙임] 용어설명

1.페로브스카이트 태양전지 (Perovskite Solar Cell, PSC)

납·할로겐이 포함된 결정 구조(페로브스카이트 구조)를 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지. 제조가 간단하고 효율이 빠르게 향상되어 차세대 태양전지 후보로 주목받고 있다.

2.정공수송층 (Hole Transport Layer, HTL)

광흡수층에서 생성된 전하 중 양전하(정공)를 전극까지 운반하는 층. 전하 수송 효율과 장치 안정성에 직접적인 영향을 준다.

3.spiro-OMeTAD

가장 널리 쓰이는 유기 정공수송재료. 고효율 구현에 유리하지만, 전도성이 낮아 리튬 도핑제와 보조첨가제가 필요하다.

4.Li-TFSI (Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)

spiro-OMeTAD에 첨가되는 리튬염. 정공 이동도를 높이는 도핑제로 쓰인다. 잘 녹지 않아, tBP를 첨가해 용해도를 높여야만 한다.

5.4-tert-butylpyridine (tBP)

지금까지 널리 쓰여온 액체 보조첨가제. 리튬 이온을 일시적으로 안정화하고 도핑 효과를 돕지만, 휘발성과 부식성이 강해 장기 안정성을 해치는 원인으로 지적돼 왔다.

[붙임] 그림설명

그림설명. 개발된 고체 첨가제의 화학구조와 성능

(상단 좌측) 기존 액상 첨가제 tBP와 새로 개발된 고체형 첨가제 4CP의 화학 구조와 특성 비교를 보여준다. tBP는 휘발성이 강해 열 안정성이 떨어지지만, 4CP는 고체 상태로 휘발하지 않아 열에 강하다.

(상단 우측) 그래프는 장기 구동 시험 결과로, 4CP를 적용한 태양전지가 3000시간 이상 초기 효율의 80%를 유지했지만 tBP 기반 전지는 1,000시간 이내에 성능이 크게 저하됐다.

(하단) 열처리 후 전극 표면과 단면을 비교한 것으로, tBP 전지는 핀홀이 생기고 층이 불균일해진 반면, 4CP 전지는 매끄러운 표면과 균질한 층 구조를 유지하는 것이 확인됐다.