1,000시간 빛 조사 후, 초기효율 97% 보존되는 페로브스카이트 태양전지 개발
- 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성 향상과 상용화 기대
▲ (왼쪽부터) 성균관대 장춘양 박사(제1저자), 성균관대 박남규 교수(교신저자), KAIST 화학과 김형준 교수(공동 교신저자)
화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)는 장춘양 박사(제1저자, 성균관대 박사후연구원), 김형준 교수(KAIST, 화학과)와 함께 박막과 전자전달층의 계면 접착성을 크게 향상시키는 기술을 개발하여 장기안정성이 우수한 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공하여 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화에 기여할 것으로 보인다.
페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발 ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정된 바있다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지의 효율을 상회하는 결과가 발표되지만, 장기적인 광(빛) 안정성 확보는 여전히 연구개발 중이다. 연구팀은 페로브스카이트와 전자전달층 계면의 약한 접착성으로 인해 페로브스카이트 태양전지가 쉽게 열화된다는 점에 착안하여, 계면 연구를 통하여 장기안정성을 획기적으로 향상하는 데 성공하였다.
전자전달층으로 사용되는 주석산화물 SnO2 박막 위에 용액공정으로 성장시킨 페로브스카이트 박막의 SnO2 접한 계면을 박리하여 초기 상태와 작동 후 상태를 분석한 결과 SnO2 계면에 형성된 페로브스카이트는 일함수*가 다른 페로브스카이트/페로브스카이트 호모접합**으로 이루어져 있음을 밝혔으며, 계면의 약한 접합성은 이러한 호모접합**과 관련성이 있음을 이해하였다. (그림 1)
* 일함수: 일반적으로 금속에서 한 개의 전자를 떼어 낼 때 필요한 에너지를 일함수 (Workfunction)라고 한다. 반도체 경우 진공 에너지와 반도체 페르미에너지 간 차이가 일함수에 해당됨.
** 호모접합: 단일 조성을 갖는 물질 간 (전자)도핑 정도가 다를 경우 생성되는 계면을 호모접합(Homojunction). 참고로, 조성이 다른 물질간 도핑 정도가 다를 경우 헤테로접합(Heterojunction)이라고 함.
[그림 1] 페로브스카이트 태양전지 구조 및 계면(A).
박리된 SnO2 표면의 전자주사현미경 사진과 KPFM 사진(B,C).
박리된 페로브스카이트 표면 전자주사현미경 사진과 KPFM 및 AFM 사진(D-F).
SnO2 계면의 페로브스카이트 필름의 태양전지 작동전과 후의 일함수 (WF)와 밴드갭(G,H).
연구팀은 주석산화물 SnO2 박막 표면에 특정 작용기를 갖는 분자를 흡착시키는 방법을 고안하여 우수한 계면 특성을 갖는 페로브스카이트 박막을 제작하였으며(그림 2), 접착성이 향상된 것을 실험 및 계산과학을 통하여 증명하였다. 이러한 계면 엔지니어링을 통하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 계면 처리하지 않은 태양전지에 비해 효율도 25.3%로 상승할 뿐 아니라, 1,000시간의 계속된 빛 조사(light soaking) 후에 초기효율의 97%를 유지하는 장기안정성이 뛰어난 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.(그림 2).
[그림 2] SnO2 표면에 특정 작용기를 갖는 분자를 표면 처리한 모식도 (위).
-C3≡N 작용기를 갖는 분자를 표면처리할 경우 페로브스카이트 장기안정성이 가장 좋음(아래)
이번 연구 성과는 에너지 분야 세계적 권위지인 줄(Joule, IF: 39.8)에 지난 3월 15일에 발표되었으며, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더과제 지원으로 수행되었다.
※ 논문제목: Work function tuning of a weak adhesion homojunction for stable perovskite solar cells
※ 논문 원본파일: https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(24)00098-9
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