차세대 태양전지 소재 공정 대폭 간소화 성공

한국 연구진, 후처리없는 고효율 페로브스카이트 소재 개발

(그림1) 페로브스카이트 태양전지 구조와 밴드 정렬된 이종접합구조 모식도 (좌) 페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하여 전자/정공을 생성하는 페로브 스카이트 광흡수층(그림에서 검정색으로 표시)과 이를 적절하게 추출/수송하기 위한 전자수송층(SnO2, 그림에서 붉은색층으로 표시) 및 정공 수송층 (Spiro-OMeTAD, 그림에서 회색층으로 표시)로 이루어져 있다. 용액 및 저온 공정을 통해 페로브스카이트 박막이 제작되기 때문에 표면에 결함이 불가피하게 생성되며, 결함을 치유하기 위해 표면에 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 기반의 이종접합 구조를 형성하여 정공 추출/수송 능력을 향상시키도록 설계하였다. (우) 설계된 2D/3D 페로브스카이트의 에너지 밴드 정렬 구조의 모식도. 3D (FAPbI3)에 비해 높은 전도대 및 가전자대 에너지 구조를 가진 2D 페로브스카이트 (CHMA2PbI4, CHA2PbI4)의 이종접합을 통해 전자의 이동을 억제하고 정공을 원활하게 추출/수송할 수 있음을 규명하였다. 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지 소재인 페로브스카이트의 제조 공정을 대폭 간소화시키고도 고효율을 유지하는 방법을 개발했다.

한국연구재단은 신현정 박남규 성균관대 교수 연구팀과 박정혁 연세대 교수 연구팀이 공동으로 처리 필요 없는 간단한 용액 공정으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율(23.91%)을 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 가깝게 향상시키는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지란 페로브스카이트 구조의 유·무기 금속 할라이드 소재를 광흡수층으로 사용한 박막형 차세대 고효율 태양전지를 말한다. 실리콘에 비해 제조가 쉽고 원가가 낮은 데다 얇고 구부러지도록 제작이 가능해 각광을 받고 있다.

연구팀은 페로브스카이트 이종접합 구조에서의 전하거동 특성을 제어한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 태양전지의 광전변환효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다. 표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용해 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 하였다. 기존에도 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다.

연구팀은 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분자를 탐색했다. 용매와 분자 사이 최적의 화학반응으로 3차원 페로브스카이트 표면에 2차원 형태의 입체 구조가 자발적으로 접합되도록 유도했다.

실제 이렇게 만들어진 이종접합 구조에서는 계단식 에너지 밴드 정렬로 인해 전하수송이 원활해지면서 광전하 추출효율이 높아져 23.91%의 광전효율변환 특성을 보였다. 기존 단일 구조에서의 광전변환효율은 20.41% 수준이다.

이번 연구 결과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 지난달 20일 게재(온라인)됐다. 학술적 진보성을 인정받아 해당 저널의 표지 사진으로 채택되기도 했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr