성균나노과학기술원, 페로브스카이트 태양전지 수명 극대화 기술 개발

[에너지경제신문 송기우 에디터] 페로브스카이트 태양전지는 25% 이상의 높은 에너지변환효율을 가지면서 저가 용액 공정으로 생산 가능해 다가오는 탄소중립 시대를 위한 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 국내외 학계와 산업계에서는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 연구과제 중 하나인 소자 구동 수명 개선을 위한 연구에 박차를 가하고 있다.

성균관대학교(총장 신동렬)는 성균나노과학기술원 이진욱 교수(사진) 연구팀이 기존 페로브스카이트 태양전지에서 수명 저하를 초래하는 이종접합 계면에서의 에너지밴드 구조 왜곡 현상을 규명하고, 태양전지의 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

고효율 장수명 페로브스카이트 태양전지 제작을 위해서는 페로브스카이트 박막 내부와 표면에 존재하는 결정 결함의 농도를 최소화하는 것이 필수적이다. 2018년 알킬암모늄 할라이드 소재를 활용한 페로브스카이트 박막 표면 결함치료 방법이 개발된 이후로 보고된 모든 고효율 페로브스카이트 태양전지에서는 해당 표면 결함치료 방법을 사용하고 있다.

페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에 알킬암모늄 할라이드 표면 결함치료 층을 도입하는 해당 기술은 에너지변환효율 향상에 기여하는 것으로 알려져 있으나, 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에서의 에너지밴드구조를 왜곡시키는 부작용을 초래할 수 있다. 하지만 앞선 연구들에서는 페로브스카이트 태양전지 효율 개선을 위해 사용된 표면 치료 층의 효율 향상 효과에만 주목을 하였으며, 동반하는 계면 에너지밴드구조 왜곡에 의해 발생할 수 있는 부작용에 대한 연구는 미흡했다.

연구진은 기존에 널리 사용되는 페로브스카이트 박막 결함치료 소재가 태양전지 소자 내 이종접합 계면에서의 에너지 밴드구조를 왜곡시키고, 빛에 의해 생성된 전하 수집을 방해하여 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저해하는 사실을 밝혀냈다. 나아가 기존 표면 결함 소재에 의해 발생하는 페로브스카이트 태양전지 수명 저하 부작용을 없애고, 태양전지의 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 표면 결함치료 기술을 개발했다. 실제 연구를 통해 개발된 표면 결함치료 층이 도입된 페로브스카이트 태양전지는 세계 최고 수준의 효율과 수명을 달성했다.

이진욱 교수팀의 연구는 페로브스카이트 박막의 일함수 변화 및 이에 따른 이종접합 계면에서의 에너지밴드 구조 변화에 대한 근본적인 이해를 발전시켰으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명 문제 해결을 위한 중요한 단서를 제공하여 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.

연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업과 산업통상자원부 에너지인력양성사업지원을 통해 수행됐고, 세계적인 학술지 네이처(Nature)에 3월 15일(화) 온라인 게재됐다.

▲ 페로브스카이트 박막 결함치료 이온 흡착에 의한 전하 재분포 페로브스카이트 박막 결함치료 이온 흡착에 따른 전하 재분포와 이에 따른 일함수 및 계면 에너지 밴드구조 변화를 규명해 냈다. 태양전지 계면 에너지 밴드구조는 빛에 의해 생성된 전하 수집 효율과 소자의 수명에 중대한 영향을 미친다.

▲ 개발된 표면 결함치료 기술을 통한 태양전지 수명 개선 효과 본 연구를 통해 개발된 표면 결함치료 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지는 약 800시간의 구동 중 효율 저하 없이 초기 효율을 유지하여, 기존 기술이 적용된 태양전지에 비해 월등히 우수한 수명을 나타내었다. (자료=성균관대 이진욱교수)