연구뉴스
[이윤석, 최만수 교수 연구팀] 페로브스카이트 태양전지 효율을 높이는 전구체 제어 기술 개발
작성자
김민아
작성일
2024-10-27
조회
622
탄소 배출로 인한 지구의 기후 변화에 대응하기 위해 친환경 재생 에너지 생산 기술이 주목받고 있으며, 그중에서도 가장 많은 비중을 차지할 것으로 예상되는 기술은 태양 전지를 이용한 전기 생산입니다. 최근 주목받는 차세대 태양전지 기술인 페로브스카이트 박막 태양전지는 매우 가볍고 유연하여 기존 무기물 기반 태양 전지의 단점을 보완하거나 일부 대체할 수 있는 가능성을 갖추고 있어 활발한 연구가 이루어지고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지는 지난 10년간 많은 연구진의 노력으로 기존 결정성 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 높은 광전 효율(26.7%)을 달성했으나, 수명이나 대면적 적용 측면에서 여전히 개선의 여지가 남아 있습니다.
페로브스카이트 태양전지의 수명 연장과 대면적 공정 향상을 위해서는 공정 기술과 소재 특성의 연관성에 대한 기초 연구가 중요합니다. 특히 페로브스카이트 태양전지 특성에 많은 영향을 미치는 요소 중 하나는 결정 결함에서 시작되는 재료의 화학적 변성입니다. 이러한 결함을 효과적으로 제어하기 위해서는 전구체 물질이 결정화되는 과정을 세밀하게 제어하는 공정이 필수적입니다.
본 연구에서는 페로브스카이트 결정화 과정에서 전구체 물질인 PbI2(DMSO)x 착화합물의 특성을 제어할 수 있는 공정 방법을 제시하였습니다. 온도에 따라 층상 구조의 PbI2 내 DMSO 삽입 정도가 변화하는 특성을 활용하여, 페로브스카이트 결정 박막의 배향성을 제어할 수 있다는 점을 연구했습니다. 특정 온도(65 ℃)에서 DMSO 삽입도가 최적화된 페로브스카이트 결정은 기판 표면에 평행하고 균일하게 성장하게 되며, 이로 인해 태양전지 내 결정 결함 농도는 전체적으로 2~3배, 전자 전달이 이루어지는 계면에서는 10배가량 낮아졌습니다.
이 연구의 결과로 페로브스카이트 태양전지의 효율은 전구체 공정 처리를 하지 않은 경우보다 평균 5% 이상 증가했으며, 최고 광전 효율은 24.02%를 기록하였습니다. 태양전지의 광수명 안정성 또한 기존 공정 대비 크게 향상되어 외기 노출 상황에서도 초기 효율의 90.5%를 200시간 동안 유지할 수 있었습니다.
본 연구의 독창성은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 성능을 좌우하는 결정 결함을 제어하기 위해 착화합물 구조의 온도 의존적 특성을 발견하고 적용했다는 점에 있습니다. 또한 기존 연구에서는 주목받지 못했던 공정-재료-소자의 통합적 접근을 통해 태양전지의 성능과 안정성을 개선하는 방법을 제시하였습니다.
이 연구는 페로브스카이트 결정화 특성과 공정 간 연관성에 대한 기초 연구로서 페로브스카이트 결정 결함 구조 제어 기술의 발전 방향을 제시합니다. 이러한 공정 제어 기술의 향상은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 있어 효율과 안정성 모두를 동시에 개선할 수 있을 것으로 기대되며, 이는 기존의 탄소 배출 에너지원을 탄소 중립의 재생에너지원으로 대체하는 데 기여할 수 있을 것입니다. 본 연구는 이러한 성과를 인정받아 최만수, 이윤석 교수 연구팀의 박준형 박사 논문 “De-Intercalation of Iodoplumbate(DMSO)x Complex for Uniaxially Oriented Halide Perovskite Thin-Film Solar Cells”이 Advanced Energy Materials의 표지논문(Back cover)으로 선정되었습니다.
