정재기 교수 연구팀, 고성능 페로브스카이트 광전소자 구현을 위한 전기장 제어 신규 소재 기술 개발

- 신규 암모늄 염 도입 및 복합 부동태화 방식으로 전기장 영역 3배 확장

- 태양전지 효율 25.16% 달성, 고온고습 환경에서도 우수한 안정성 확보

▲(왼쪽부터) 성균관대 정재기 교수, 부산대 김학범 박사

우리 대학 에너지과학과 정재기 교수 연구팀과 부산대학교 화학교육과 김학범 박사가 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 신규 소재 기술을 개발했다고 발표했다.

▲그림. 연구요약 a. 신규 암모늄 염 분자의 정전기 포텐셜 분포와 쌍극자 모멘트 (빨간색 화살표는 쌍극자 방향), b. 소자내의 전기장의 세기와 방향, c. 단일 및 복합 부동태화의 전기장 분포 d. 태양전지 공인인증효율

페로브스카이트* 태양전지는 높은 효율과 우수한 안정성을 동시에 확보하는 것이 중요한 과제로 남아 있었다. 정재기 교수 연구팀은 카바졸(carbazole) 유도체** 기반의 신규 암모늄 염(CzCl-EAI)***을 도입하여, 기존 페로브스카이트 태양전지 대비 전기장 분포 영역을 약 3배 확장시키는 데 성공했다. 이 확장된 전기장 영역은 전하(전자와 정공)의 분리 및 추출 효율을 높여, 전자-정공 재결합 손실을 최소화하고 전하 수집 효율을 크게 향상시키는 역할을 한다.

* 페로브스카이트: 빛을 흡수하여 전기를 생산하는 광활성 물질로, 뛰어난 광전 특성과 저렴한 제조 비용으로 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있음.

** 카바졸(carbazole) 유도체: 질소를 포함하는 방향족 유기화합물인 카바졸을 기반으로 화학적 변형을 통해 전자적, 화학적 특성을 조절한 유기 화합물.

*** 암모늄 염(CzCl-EAI): 카바졸 기반의 암모늄 염 소재로 염소 원자가 도입되어 향상된 분자내 전하 이동 특성을 가짐.

연구팀은 신규 암모늄 염과 1,3-diaminopropane dihydroiodide (PDAI2*)의 복합 부동태화 방식을 통해 기존보다 3배 확장된 전기장 영역을 성공적으로 구현했으며, 그 결과 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율은 최대 25.16%(인증효율: 24.35%)에 도달했다. 또한, 이 태양전지는 습도 50~60%의 대기 중에서 500시간 연속 광 조사 후에도 초기 성능의 80%를 유지했으며, 85℃ 고온 조건에서 1100시간 후에도 초기 효율의 91% 이상을 유지하는 우수한 안정성을 보였다.

* PDAI2: 페로브스카이트 태양전지의 부동태화 소재로 사용되는 이중 암모늄 염으로, 태양전지 내부의 전기장을 형성하여 전하 추출을 돕고 표면의 결함을 감소시켜 효율과 안정성을 향상시키는 역할.

정재기 교수는 “이번 연구는 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시키는 전기장 제어 및 화학적 부동태화 기술의 설계 및 응용에 중요한 방향성을 제시할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

부산대 김학범 박사는 “염소 원자가 카바졸 구조에서 전자를 끌어당겨 전자 결핍(Electron-deficient) 상태를 형성하고, 광활성층 표면의 전자 분포 및 에너지 준위를 변화시켜 전하 추출을 높인 것”이라고 설명했다.

이번 연구성과물은 2024년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행된 기초연구사업으로, 2월 26일 국제 학술지인 Journal of the American Chemical Society에 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Dipolar Carbazole Ammonium for Broadened Electric Field Distribution in High-Performance Perovskite Solar Cells

※ 저널: Journal of the American Chemical Society

※ DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c18074