변환 효율 24.6%…고효율 유연 태양전지 상용화 기대
차세대 태양광 기술로 주목받는 역구조 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 표면 결함 문제를 서로 다른 두 분자의 협업으로 해결할 수 있는 기술이 나왔다.
한국에너지기술연구원(에너지연)은 태양광연구실 홍성준 박사 연구진이 울산과학기술원 박영석 교수, 군산대학교 이경구 교수 연구진과 공동으로 역구조 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높이는 ‘쌍분자 패시베이션’ 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 가볍고 제조 공정이 비교적 간단해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 역구조 페로브스카이트 태양전지는 저온 공정이 가능해 유연 기판이나 대면적 제조 등 상용화 측면에서 장점이 있다.
그러나 페로브스카이트 박막을 형성하는 과정에서 결정 경계와 표면에 미세한 결함이 발생하면서 전하가 이동하는 과정에서 손실이 발생하고 이는 태양전지의 효율과 장기 안정성을 떨어뜨리는 요인으로 지적 돼왔다.
기존에는 이러한 결함을 줄이기 위해 태양전지 표면에 특정 분자로 구성된 얇은 층을 형성하는 ‘패시베이션’ 기술이 주로 활용됐다. 하지만 한 종류의 분자만으로는 결정 경계 내부에 존재하는 결함과 표면에서 발생하는 화학적 불안정성을 동시에 효과적으로 제어하는 데 한계가 있었다.
연구진은 이 같은 한계를 극복하기 위해 결합 특성이 서로 다른 두 종류의 유기 분자를 순차적으로 적용하는 쌍분자 패시베이션 전략을 제시했다.
먼저 크기가 작은 PDAI 분자를 활용해 페로브스카이트 결정 경계에 존재하는 미세한 결함을 효과적으로 채우고 전하 이동 통로를 안정화했다. 이어 4TF 분자를 적용해 페로브스카이트 표면에 남아 있는 불안정한 납 원자와 결합하도록 함으로써 표면의 화학적 안정성을 높였다.
서로 다른 역할을 수행하는 두 분자를 조합함으로써 기존 단일분자 패시베이션으로는 동시에 해결하기 어려웠던 결정 경계와 표면의 결함을 각각 선택적으로 제어할 수 있도록 한 것이다.
실험 결과 쌍분자 패시베이션을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 24.6%의 변환효율을 기록했다. 이는 표면처리를 하지 않은 대조군의 21.21%보다 높은 수치이며, PDAI만 단독으로 적용한 소자의 23.17%와 비교해도 성능이 향상됐다.
특히 연구진은 두 분자를 각각 단독으로 적용했을 때보다 PDAI와 4TF를 순차적으로 적용했을 때 결함 제거와 표면 안정화 효과가 상호 보완적으로 작용한다는 점을 실험을 통해 확인했다.
홍성준 에너지연 박사는 “이번 성과는 건물 창문이나 자동차 선루프, 휴대용 기기 등에 적용되는 고효율 유연 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 원천기술”이라며 “향후 고성능 차세대 태양전지 제품군으로 응용해 친환경 재생에너지 시장에서 기술 경쟁력을 높이겠다”고 말했다.
