성균관대 신현정 교수 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 안정성 획기적 향상

성균관대학교는 신현정 교수 연구팀이 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시키는 기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다. 성균관대학교 에너지과학과(DOES) 석박통합과정 서성록 연구원과 박남규 교수가 공동으로 연구에 참여했다.

 

페로브스카이트는 결정구조 이름이며 최근 차세대 태양전지로서 유ㆍ무기 할라이드 원소를 사용한 특별한 조성의 물질군을 일컫는다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간 광변환 효율 22%를 넘는 고효율 광흡수층으로 세계적으로 많은 연구자에게 관심을 얻었다. 페로브스카이트는 우수한 광전 특성이 있으며 동시에 저비용이라는 장점이 있으나 수분, 열, 빛, 전기장 등에 취약해 짧은 소자 수명이 산업화의 걸림돌로 지적됐다.

 

이번 연구에서 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조는 역전형(inverted type) p-i-n 구조로 돼 있으며, 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 또 다른 물질들인 전하수송층을 무기계 소재로 구성함으로써 안정된 페로브스카이트 태양전지를 구현했다.

 

전하수송층은 모두 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)으로 증착됐으며, 박막의 핀홀 없이 균일하고 밀도 높은 막질을 형성했다. 특히 무기계 전자수송층으로 Al 도핑 된 ZnO(AZO)를 채택, 이 소재는 우수한 전자수송 특성뿐 아니라 아래에 있는 페로브스카이트층을 보호하는 역할을 했다.

 

ALD-AZO는 외부 수분 및 산소의 침투와 페로브스카이트의 휘발성 구성원의 증발을 방지, 안정성을 향상시켰다. 공동 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가에서 ADL-AZO 박막을 채택하지 않은 소자들은 빛을 조사했을 때 매우 빠른 속도로 소자의 열화가 진행되는 반면, ALD?AZO 박막을 채택한 소자는 500시간 동안 초기 효율의 99.5%의 특성을 유지한 것을 확인했다.

 

이처럼 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지는 초기효율 18.45%에서 시작해 고온(85℃)과 대기환경(ambient air) 분위기, 모의 태양빛(1-sun) 조사라는 극한 환경에서 500시간 동안 86.7%의 효율을 유지해 페로브스카이트 태양전지의 산업화 가능성을 크게 높였다.

 

신현정 에너지과학과 교수와 서성록 연구원, 박남규 화학공학과 교수가 공동 수행한 이번 연구는 한국연구재단 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 진행됐다. 재료과학(material science) 분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 19.791) 5월23일자 온라인판에 게재됐다.

채태병기자