연구뉴스
[이윤석 교수 연구팀] 차세대 페로브스카이트 태양전지 성능 향상 연구 성과 발표
작성자
김민아
작성일
2024-12-31
조회
227
▲ 서울대학교 기계공학부 정용훈 석박사통합과정 (제1저자)
현재 페로브스카이트 태양전지에서 주로 사용되는 TiO2 기반 메조스코픽 구조는 전자수송층으로 compact TiO2를 활용하여 높은 효율을 달성하고 있다. 그러나 투명 전도성 산화물 기판 위에 TiO2를 적용하는 데 있어 열적 한계로 인해 원하는 특성의 compact TiO2레이어를 형성하는 데 어려움이 있다. 특히, 전도성이 낮은 루타일상 TiO2는 높은 온도(450°C 이상)에서 합성되며, 그 자체로 전기적 특성이 충분하지 않아 전도성(10-5 ~ 10-8 S/cm)이 낮은 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 리튬 도핑이 종종 사용되지만, 리튬 이온의 과도한 확산으로 인해 소자의 안정성에 문제가 발생할 수 있으며, 특히 탠덤 태양전지에서 하부 실리콘 셀에 추가적인 문제를 야기할 수 있다. 이에 대한 대안으로 질소 도핑이 제안되었으며, 이는 TiO2의 산소 자리에 질소를 도입해 전도성을 향상시키고, 리튬 도핑과 달리 이온 이동성으로 인한 안정성 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지닌다.
본 연구에서는 펄스 레이저 증착(PLD) 기법을 활용하여 TiO2박막 내에서 도핑 농도를 그레이딩하는 새로운 접근 방식을 제시한다. PLD 기법을 사용하면 compact TiO2로 사용되는 TiO2박막에서 균일하고 고결정성을 유지하는 박막을 형성할 수 있으며, 이는 전자 수송 장벽을 감소시키면서 전기적 전도성을 동시에 향상시키는 특징을 지닌다. 기존의 용액 기반 공정에서는 도핑 농도를 정밀하고 재현 가능하게 조정하는 데 어려움이 있지만, PLD는 진공 공정 파라미터를 조정하여 넓은 범위의 도핑 수준을 미세하게 조정할 수 있다. 또한, 증착 중 도핑 농도를 동적으로 조정하여 그레이딩 도핑 프로파일을 구현할 수 있다. 그레이딩된 TiO2박막에서 산소가 풍부한 도핑 농도가 낮은 쪽은 페로브스카이트 및 mesoporous TiO2에서의 전자 수송 장벽을 줄이는 역할을 하고, 질소가 풍부한 도핑 농도가 높은 쪽은 투명 전도성 산화물 기판에 대한 전기적 전도성을 향상시킨다. 그 결과, 투명 전도성 산화물 기판과 mesoporous TiO2 사이의 전자 수송층으로서 TiO2의 향상된 전자 수송 특성은 페로브스카이트 태양전지의 전하 전달 특성을 개선하며, 직렬 저항을 감소시켜 보편적으로 사용되는 스프레이 피롤리시스 방식으로 합성된 TiO₂ ETL보다 11% 높은 22.98%의 PCE를 달성했다. 이러한 결과는 PLD 기반의 그레이딩 도핑 공정이 기존 공정 대비 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 차세대 페로브스카이트 태양전지의 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 제시한다.
본 연구의 독창성은 TiO2에 질소가 도핑된 박막을 형성할 때, PLD 공정 중 산소 분압을 조절하여 도핑 농도를 제어하고, 이를 통해 박막의 광전자 특성을 결정한 점에 있다. 또한, 이 공정을 나노 스케일로 정밀하게 조절하여 박막 내에서 그레이딩 질소 도핑을 구현하였고, 이를 통해 페로브스카이트 태양전지의 전자수송층 내 에너지 준위를 계단식으로 정렬함으로써 생성된 캐리어의 수송을 원활하게 했다. 그 결과, PLD를 이용한 ETL을 적용한 페로브스카이트 n-i-p 소자에서 현재까지 보고된 최고 수준인 22.98%의 전력 변환 효율을 달성했으며, 2024년 12월 27일 국제학술지 Small의 표지논문(Back cover)으로 게재되었다.
PLD 공정을 통해 TiO2에 그레이딩 질소 도핑이 VBM (Valence band maximum)에서 최대 0.2 eV, CBM (Conduction band minimum)에서 최대 0.3 eV에 이르는 밴드 오프셋을 보정할 수 있는 정밀한 계단형 밴드 정렬을 형성하는 데 효과적임을 강조하고 있다. 이러한 연구 결과를 바탕으로, 전하 수송층에서의 그레이딩 도핑 기술은 LED, 레이저 다이오드, 광 증폭기, 광 검출기 등 다양한 이종접합 기반 소자의 캐리어 이동성을 향상시켜, 소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 혁신적인 전략으로 활용될 것으로 기대된다.
