[인더스트리뉴스 정한교 기자] 국내 연구진에 의해 기판 위에서 알아서 조립되는 분자로 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 모두 잡은 연구 결과가 나왔다.

UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 탄소중립대학원 김동석·김진영 교수, 국립군산대학교 이경구 교수팀과의 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 새롭게 개발했다고 19일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 저렴한 소재와 공정비용으로 가격 경쟁력이 뛰어나 태양광발전의 차세대 기술로 주목받고 있다. 국내뿐만 아니라 세계 각국에서 태양광발전의 차기 패권을 차지하기 위해 페로브스카이트 기술 개발을 진행하고 있다.

그러나 페로브스카이트 층과 전하 수송 층 사이의 계면의 결함에서 발생하는 비방사 재결합은 효율 저하의 주요 원인으로 작용한다. 이를 해결하기 위해 역구조 페로브스카이트 태양전지는 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer, SAM) 물질을 정공 수송 층으로 개발 및 사용되고 있다.

SAM 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다. 그러나 기존 소재는 계면 결함의 완화와 안정성 측면에서 한계가 있다.

특히, 카바졸 기반 SAM 물질은 페로브스카이트 박막과의 에너지 준위 불일치 및 소수성 표면 특성에 기인한 계면 결함 및 안정성에 문제가 존재한다. 이에 따라 정공 수송 특성을 개선하고 계면 결함을 줄일 수 있는 새로운 SAM 물질 개발이 요구되고 있다.

광전 변환 효율 25.16%, 탁월한 광안정성 및 효율 저하 개선

연구팀은 이 SAM을 형성하는 4PACz 분자보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 MeS-4PACz을 개발했다. 이 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 기존 SAM보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다.

태양전지는 광생성 전자(음전하 입자)와 정공이 전극으로 이동하는 현상으로 전기에너지를 뽑아내는 장치라 전자와 정공이 전극으로 잘 이동하면 전지 효율이 높아진다. 또한, 태양전지 출력과 장기안정성을 가늠하는 지표인 히스테리시스(hysterisis) 값도 월등히 개선됐다.

광안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양광에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 반면, 4PACz을 적용한 태양전지는 500시간 후 효율이 20% 이상 감소했다.

개발된 MeS-4PACz은 4PACz에 메틸티올 화학작용기(-SCH₃)가 첨가된 형태로, 페로브스카이트층과의 에너지 준위가 잘 맞춰져 있어 페로브스카트층에서 생성된 정공이 원활히 전극으로 나갈 수 있다.

또한, 메틸티올 작용기의 황은 페로브스카이트의 양이온과 강한 화학결합을 형성해 태양광 노출에도 페로브스카이트층을 초기 최적화 상태로 잘 유지하게 하며 계면 안정성을 크게 향상시킨다.

김봉수 교수는 “개발된 SAM은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높인 물질”이라고 설명했다.

이번 연구는 UNIST 샤히드 아민(Shahid Ameen) 박사, 이동민 연구원, 손중건 연구원, 군산대 압둘라 빈 파힘(Abdullah Bin Faheem) 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구결과는 화학 분야 권위학술지인 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)에 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다(논문명: 3,6-Bis(methylthio)-9H-carbazole Based Self-Assembled Monolayer for Highly Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells).

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