전북대 강유진 대학원생, 차세대 고효율 태양전지 기술

다기능성 첨가제 안티솔벤트 공정으로 박막 형성기술 개발, 에너지과학 세계 저널에 논문 게재

▲ⓒ전북대학교

전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 강유진 대학원생(석사과정)과 나석인 교수, 군산대 김석순 교수 등으로 구성된 공동 연구팀이 차세대 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 길을 열어 세계 학계 주목을 받고 있다.

5일 전북대에 따르면 연구팀은 다기능성 첨가제를 포함한 안티솔벤트 공정을 사용해 고품질 페로브스카이트(perovskite) 박막 형성기술을 개발하고, 이를 적용해 고효율을 달성해 페로브스카이트 태양전지가 갖는 기존 문제점을 해결했다.

이 연구 성과는 에너지과학 분야 세계적인 학술지 'ACS Energy Letters'(IF=19.003)에 최근 게재됐다. (논문명: Antisolvent Additive Engineering Containing Dual-Function Additive for Triple-Cation p−i−n Perovskite Solar Cells with over 20% PCE)

최근 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하는 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 우수한 광전기적 특성으로 인해 2009년 3.8%에서 2019년 25.2%로의 급격한 전력 변환효율 증가를 보였으며, 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 및 미래 대체 에너지원으로 상당한 주목을 받고 있다.

그러나 기존의 용액공정으로 제작한 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트의 이온적 특성으로 광활성층 내부 및 표면에 많은 결함이 존재하는 불안정한 페로스카이트 박막을 형성하고 광생성 전하의 이동을 방해하고 속박함으로써 전하 재결합을 유발, 성능을 감소시키는 문제가 있었다.

이 문제를 해결해 고성능 페로브스카이트 태양전지 제작하려면 페로브스카이트 광활성층의 결함 페시베이션(Passivation) 및 결정 성장 제어를 통한 고품질 페로브스카이트 광활성층 박막 제작이 요구된다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 다기능 첨가제를 포함하는 안티솔벤트 공정을 도입해 페로브스카이트 결정성장 및 표면의 결함을 줄여 효율 및 안정성을 극대화했다.

실제로 이 페로브스카이트 태양전지는 최고효율 20.46%를 달성하였고 봉지화(encapsulation)를 하지 않은 25℃, 상대습도 40±5%의 공기조건에서 96일 이후 초기효율의 61%를 유지, 129일 이후 초기효율의 56%를 유지함으로써 높은 광전변환효율 및 공기안정성이 확인됐다.

이 연구 성과는 다기능성 첨가제를 포함하는 페로브스카이트 안티솔벤트 제조 방법을 통해 고품질 페로브스카이트 박막 형성이 가능함을 시사했으며, 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는데 중요한 전기가 될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 '한국전력연구원(주력연구사업)', '한국연구재단(기초연구사업)'의 지원으로 수행됐다.