국립군산대 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 효율·안정성 동시 개선

차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 기술이 국립 군산대 연구팀에 의해 제시됐다.

첨가제의 농도를 조절해 소재 내부의 결함을 줄이고 전하 손실을 억제하는 방식으로, 고효율·고안정성 태양전지 개발에 활용될 수 있을지 기대가 모아진다.

2일 군산대에 따르면 양정엽·이용제 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 함께 높이는 첨가제 농도 제어 전략을 제시했다.

이번 연구는 한국폴리텍대학 아산캠퍼스 박주상 교수와 공동연구로 이뤄졌다.

특히 이번 연구에는 군산대 김미정·김문회 연구자가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 성과는 국제학술지 'Cell Reports Physical Science'에 온라인 공개됐다.

페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하는 능력이 뛰어나고 비교적 간단한 용액 공정으로 제작할 수 있어 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다.

다만 소재 내부와 결정립 경계에 존재하는 결함은 빛으로 생성된 전하의 손실을 유발해 효율과 장기 안정성을 떨어뜨리는 한계가 있었다.

연구팀은 세슘(Cs), 포름아미디늄(FA), 메틸암모늄(MA)을 사용하는 삼중 양이온 페로브스카이트에 유기 첨가제인 페네틸암모늄 아이오다이드(PEAI)를 소량 첨가했다.

이어 농도에 따른 결정구조와 전기적 특성, 소자 성능의 변화를 분석했다.

특히 첨가제 농도에 따라 결함 억제 효과와 결정구조가 달라질 수 있다는 점에 주목했다.

그 결과, 낮은 농도의 PEAI를 첨가하면 기존 3차원 페로브스카이트 결정구조를 유지하면서 결함에 따른 전하 손실을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

반면 첨가제 농도가 높아지면 저차원 결정상이 형성되는 등 구조적 변화가 발생해 적정 농도를 유지하는 것이 중요하다는 것을 확인됐다.

실제 PEAI를 0.50wt% 첨가한 소자는 최고 광전변환효율 20.98%를 달성해 무첨가 소자의 효율 18.33%보다 2.65%포인트 향상됐다.

각 조건에서 제작한 20개 소자의 평균 효율도 18.03%에서 20.52%로 높아져 성능 개선의 재현성도 확인했다.

광학·전기적 분석에서도 결함 억제 효과가 나타났다.

빛으로 생성된 전하 운반자의 평균 수명은 94.53나노초(ns)에서 206.46나노초로 약 2.2배 늘었고, 전하를 붙잡는 트랩 밀도는 약 33% 감소했다.

이는 결함에 의한 비방사성 재결합이 억제돼 전하손실이 줄어들었음을 뒷받침한다는 게 연구팀의 설명이다.

특히 고온·고습 환경에서 안정성도 개선됐다.

봉지 처리한 소자를 온도 85도, 상대습도 85%에서 평가한 결과, PEAI를 0.50wt% 첨가한 소자는 1,000시간이 지난 뒤에도 초기 효율의 약 57%를 유지했다.

반면 무첨가 소자는 740시간 만에 초기 효율의 약 6%만 남았다. PEAI 첨가가 소자의 성능 저하를 완화하는데 효과적임을 보여줬다는 것이다.

이번 연구는 PEAI 첨가제의 농도를 조절하는 것만으로도 페로브스카이트의 결정구조를 유지하면서 결함에 의한 전하 손실을 줄일 수 있다는 점을 확인했다는 데 의미가 있다.

연구팀은 이번 성과가 향후 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지의 소재 설계와 공정 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대하고 있다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부의 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부의 한국연구재단, 교육부 및 전북특별자치도가 지원하는 전북 ANCHOR 사업의 지원을 받아 수행됐다.