전북대 연구팀, 차세대 고효율 태양전지 기술 개발.. 'ACS Energy Letters' 논문 게재

[베리타스알파=나동욱 기자] 전북대는 유연인쇄전자전문대학원 강유진 대학원생(석사과정)과 나석인 교수, 군산대 김석순 교수 등으로 구성된 공동 연구팀이 다기능성 첨가제를 포함한 안티솔벤트 공정을 사용해 고품질 페로브스카이트(perovskite) 박막 형성기술을 개발하고, 이를 적용해 고효율을 달성해 페로브스카이트 태양전지가 갖는 기존 문제점을 해결했다고 5일 밝혔다.

차세대 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 길을 연 이번 연구 성과는 에너지과학 분야 세계적인 학술지 'ACS Energy Letters'(IF=19.003)에 최근 게재됐다.

최근 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하는 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 우수한 광전기적 특성으로 인해 2009년 3.8%에서 2019년 25.2%로의 급격한 전력변환효율 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 문제 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 달성했고 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 기대됐다.

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