화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원 원장, 교신저자)와 마춘칭 박사(제1저자), 화학공학/고분자공학부 권석준 교수(공동 교신저자), 신소재공학부 양철웅 교수(공동 교신저자)로 구성된 공동연구팀이 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 차이점을 발견하고 이론계산 기반의 원인 규명을 통해 24.64% 고효율 패로브스카이트 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수 연구팀은 안정성과 효율성이 모두 높은 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발하여 “페로브스카이트 포토볼타익스”라는 새로운 학문 분야를 개척하였다.

페로브스카이트 광흡수층은 프리커스 용액을 스핀 코팅하여 필름 형태로 제작하는데, 섭씨 150도에서 짧은 시간 열처리하게 되면 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있다. 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정면도 일정치 않다는 단점이 있다. 박남규 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정 패시터에 따른 광전류 의존성을 예측하여, 패시터 표면 에너지 계산을 기반으로 (100) 과 (111) 결정 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름을 첨가제 공법을 이용하여 제작하는 데 성공하였다. (그림 1 참조)

그림 1.
 (왼쪽) 기존 프리커서 용액을 사용할 때 얻어진 다결정 특성의 페로브스카이트 필름.
(오른쪽) 첨가제 공법을 이용한 프리커서 용액에 의해 얻어진 결정 패시터가 잘 발달된 페로브스카이트 필름

광전류 원자력현미경 (photocurrent-AFM) 측정을 통해 (100)과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류가 발생하는 반면 (110) 면에서는 매우 낮은 광전류가 생성되는 것을 발견하였다. 이론계산 결과 상대적으로 큰 유전상수와 빠른 엑시톤 발생이 (100) 과 (111) 결정 패시터에서 높은 광전류 발생의 원인임을 밝혀내었다. (그림 2 참조)

그림 2.

A. 광전류 원자력 현미경 사진

B. 결정 패시터에 따른 광전류

C. 파장에 따른 유전상수의 결정 패시터 의존성

D. 결정 패시터에 따른 엑시톤 발생 속도

결정 패시터에 따른 광전류 차이를 이용하여 광전류 생성이 우수한 (100)과 (111) 패시터가 발달된 페로브스카이트 필름 기반의 태양전지는 24.64%의 높은 효율을 보인 반면, 광전류 생성이 우수하지 않은 (110) 패시터로 구성된 페로브스카이트 태양전지는 21.67%의 낮은 효율을 보였다. 또한 1,000시간 연속 광(光)조사 실험에서 (100)과 (111) 패시터 페로브스카이트 태양전지는 (110) 패시터에 비해 더 우수한 장기 안정성을 보였다. 이러한 연구 결과는 30% 이상의 이론효율에 가까운 페로브스카이트 태양전지를 설계하는 데 실마리를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다. (그림 3 참조)

그림 3.
전류-전압 그래프: A. (110) 패시터 필름의 페로브스카이트 태양전지,
B. (100)/(111) 패시터가 발달된 필름의 페로브스카이트 태양전지 C. 1000 시간 연속 광조사에 의한 효율 변화.
(100)/(111) 패시터 필름이 (110) 필름에 비해 더 우수한 광조사 안정성을 보임

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘줄 (Joule, IF=46.048)’에 11월 16일(6권, 페이지 2626-2643) 발표되었다.
본 연구는 한국연구재단의 리더과제(NRF-2021R1A3B1076723) 지원으로 수행되었다.

※ 논문명 : Photovoltaically top-performing perovskite crystal facets