국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지 효율을 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이광희 신소재공학부·김희주 융합기술제학부 교수팀이 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 양쪽성이온을 활용, 페로브스카이트 태양전지 효율을 높일 수 있는 방법을 제시했다고 28일 밝혔다.
유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 용액공정이 가능하며 얇고 가볍다. 25%가 넘는 고효율 소자 성능으로 차세대 태양전지로 평가받고 있다. 하지만 물질 자체 결함으로 소자 성능이 감소하는 문제점을 갖고 있다. 물질 결함을 제어하기 위해서는 부동태화(유해 이온 흡수 또는 이온 이동 저지)하는 방법이 대표적이지만 한 종류의 전하만을 부동태화할 수 있다는 점이 한계였다.
연구팀은 양쪽성이온을 활용해 이를 해결했다. 대표적인 아미노산으로 간단하면서 페로브스카이트 물질 전구체와 비슷한 L-알라닌을 첨가제로 사용, 부동태화를 통해 페로브스카이트 태양전지 성능을 높였다. 물질 내부 결함 부동태화와 결정립 증가를 확인했으며 태양전지 소자 효율이 기존 18.3%에서 20.3%로 커진다는 사실도 규명했다.
연구팀이 광 발광 분광법과 시간 관련 단광자 계산 기법으로 분석한 결과 페로브스카이트 물질의 비방사 재결합 저해로 소자 효율이 향상되고 광 발광 수명이 10배 이상 증가한 것으로 나타났다. 공간 제한 전류와 저온 전도도 측정으로 내부 결함이 감소하고 양쪽성이온이 페로브스카이트 내부 이온 이동을 저해한다는 것도 밝혔다.
이광희 교수는 “유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지 개발에서 반드시 해결해야 할 물질 내부의 결함 문제를 해결할 수 있는 새로운 원리를 제시했다”며 “태양전지 분야뿐만 아니라 유·무기 복합 페로브스카이트를 사용하는 여러 반도체 소자에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이광희·김희주 교수가 주도하고 박사과정 김주현 학생과 차세대에너지 연구소(RISE) 김용윤 박사가 주저자로 참여한 이번 연구는 GIST 연구소(GRI) 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 스몰(Small) 최신호 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
