대구경북과학기술원(DGIST)은 최종민 에너지공학과 최종민 교수팀과 김범준 KAIST 생명화학공학과 교수팀이 협업해 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 안정성을 향상시킬 수 있는 양극성고분자를 개발했다고 27일 밝혔다.
유기 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)는 태양전지에 사용되는 재료 중 하나로, 태양빛을 전기로 변환하는 역할을 한다. 우수한 광전기적 특성, 저렴한 공정비용 등 특징을 갖고 있어 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있다. 그러나, 결함으로 인한 성능 저하와 낮은 안정성으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 특히, 대기 중 산소와 수분이 성능을 떨어뜨리기때문에 고효율, 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현을 위해서는 결함을 복원하는 과정이 필요하다.
연구팀은 페로브스카이트 복원 결함을 위해 세계최초로 양극성고분자를 도입했다. 기존의 p-type, n-type 고분자는 페로브스카이트 결함은 복원하지만 반대전하의 이동을 방해하는 문제가 있었다. 그러나 연구팀의 양극성고분자는 페로브스카이트 결함을 복원함과 동시에 모든 전하(전자, 정공)의 이동을 개선헤 기존 단점을 해결했다.
또 기존 결함 복원 과정으로는 여전히 상당한 결함이 존재함을 확인하고, 양극성 고분자를 정공전달층에 혼합하여 추가적인 복원을 실시하는 방법을 개발했다. 이로써 결함 복원이 강화되고 핀홀(작은 구멍) 억제 등의 이점을 얻을 수 있었다. 더불어 현재의 고효율 페로브스카이트 태양전지에서 발생하는 안전성 문제를 해결하기 위해 양극성 고분자가 잔여하는 이온의 확산을 억제하는 방법도 개발해 소자의 안정성을 극대화했다.
최종민 교수는 “양극성고분자 패시베이션이 페로브스카이트의 양방향성 전하 이동을 극대화해 획기적으로 성능을 향상시킬 수 있을 것”이라며 “일반적인 대기조건 뿐만 아니라 고온고습 환경(85℃, 상대습도 85%)에서도 장시간 정상작동을 입증하여 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예측한다.”고 말했다.
이번 연구는 DGIST 김수관 석박통합과정생, KAIST 김진석 박사의 주도로 진행됐다. 한국연구재단과 DGIST R&D Program의 과제 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 최근 국제 학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 표지논문으로 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
