연구성과

화공 조길원 교수팀, ‘효율’과 ‘내구성’ 두 마리 토끼 잡은 페로브스카이트 태양전지 소재 개발

2020-11-13 306

[유기스페이서 분자설계를 통한 고성능∙고안정의 페로브스카이트 태양전지 구현]

페로브스카이트 태양전지는 저비용 공정이 가능하며 우수한 광전기적 특성을 가져 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 핵심 소재인 페로브스카이트 물질이 빛과 수분에 취약하여 상용화에 어려움이 있다. 최근 POSTECH 연구팀은 페로브스카이트의 광전효율과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 유기스페이서 분자첨가제를 개발했다.

화학공학과 조길원 교수, 박사과정 송성원 씨 연구팀은 페로브스카이트 결정에 새로운 유기스페이서 분자첨가제를 도입함으로써 페로브스카이트 수분저항성을 높일 뿐 아니라 결정의 내부결함 농도를 획기적으로 낮추어 고성능∙고안정성의 페로브스카이트 태양전지를 구현하는데 성공했다. 이 연구는 에너지 분야에서 세계 최고 수준의 과학저널인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Material)’의 표지논문으로 최신호에 게재됐다.

연구팀은 문제 해결을 위해 유기스페이서 이온을 첨가함으로써 2차원 및 3차원 페로브스카이트가 공존하는 하이브리드 페로브스카이트 광활성층을 개발해냈다. 유기스페이서는 3차원 페로브스카이트 결정의 표면에서 2차원 페로브스카이트 구조를 만드는데, 이러한 구조는 물을 배척하는 성질이 커서 수분에 대한 저항성을 높이는 안정화층 역할을 한다.

또, 새롭게 도입한 유기스페이서는 2차원·3차원 페로브스카이트 결정계면의 기계적 응력을 최소화시켜 3차원 페로브스카이트 결정의 핵생성과 성장을 촉진시킬 수 있음을 최초로 발견했다. 이 결과, 광활성층인 3차원 페로브스카이트 결정의 내부결함이 획기적으로 줄어들었다.

연구팀이 개발한 태양전지는 21.3%의 효율을 달성했고, 수분 안전성을 확보해 60%의 상대습도 조건에서 500시간이 지나도 초기 효율의 80% 이상을 유지함을 확인했다.

연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구는 고성능∙고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 유기스페이서 분자설계의 새로운 관점을 제시했다”며 “페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화에 이바지할 수 있는 원천기술이 될 것으로 전망한다”고 말했다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’ 지원으로 수행됐다.