신소재공학부 김한기 교수 연구팀은 차세대 대면적 고효율 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 전용 ITO 투명 전극 기술을 개발했다고 밝혔다.

※논문명: Advanced Energy Materials (Impact factor: 29.698) 12월 10일 게재

　제목: Sn composition engineering toward the breakthrough of transparent front electrodes for efficient and stable perovskite solar cells.

※저자명: 김한기(교신저자), 석해준(제1저자)

기존연구의 문제점 및 한계성 극복: 기존 페로브스카이트 태양전지 연구는 전용 투명 전극없이 디스플레이나 기본 태양전지에 사용되는 Sn이 10 wt.% 도핑된 ITO 투명 전극만을 사용하여 진행하였기 때문에 최고효율달성에 한계가 있었다. 페로브스카이트 태양전지의 광활성층 및 버퍼층의 특성을 고려한 Sn 도판트 함량에 관한 연구는 이루어지지 않았기 때문에 현재 대부분의 연구가 디스플레이용 ITO 전극을 활용하여 연구를 진행해 오고 있다. 김한기 교수 연구팀의 페로브스카이트 태양전지 전용 ITO 투명 전극을 구현하기 위해 Co-sputtering 공정을 이용해 Sn 도판트 함량을 미세하게 조절하고 빛을 이용한 급속 열처리 기술을 도입하여 페로브스카이트 전용 ITO 투명 전극을 세계 최초로 구현하였다. CE-ITO (Composition Engineered ITO)로 명명한 페로브스카이트 태양전지 전용 투명 전극은 2.75 Ohm/sqaure의 낮은 면저항과 94%의 광투과도를 타나내어 전극 교체로만 페로브스카이트 태양전지 효율을 20.78% (일반적인 ITO 전극) 에서 23.35% (CE-ITO전그)로 대폭 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 뿐만 아니라 CE-ITO 전극에 제작된 페로브스카이트 태양전지는 일반적인 ITO에 제작된 페로브스카이트 태양전지에 비해 우수한 안정성을 나타내어 차세대 페로브스카이트 태양전지 상업화를 위한 핵심 기술을 확보하였다. 대부분의 연구팀은 페로브스카이트 광활성층 연구나 버퍼층 연구로 효율을 향상시키는데 김한기 교수 연구팀은 발상의 전환을 통해 투명전극을 특성을 대폭 향상시켜 페로브스카이트 태양전지의 효율을 향상시키는 기술을 개발하였다. 김한기 교수 연구팀이 개발한 CE-ITO 전극의 우수한 전기적/광학적 특성 및 안정성은 페로브스카이트 광활성층의 에너지밴드를 고려한 Sn (주석) 도판트의 정확한 함량 제어와 빛을 이용한 급속 열처리를 통해 이루어지는 결정화 기술에 기인하고 있다. 이는 적층 구조로 제작되는 페로브스카이트 태양전지의 계면 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 구성하는 그 위에 성막되는 층의 결정성 또한 개선시키는 효과를 보여주기 때문이라고 연구팀은 설명하고 있다.

이러한 연구 결과는 차세대 태양전지로 알려진 페로브스카이트 태양전지 연구 및 상용화를 위한 핵심 전극 기술로, 반투명 페로브스카이트 태양전지, 초고효율 덴덤 태양전지의 상용화를 앞당길 것으로 예상하고 있다. 뿐만 아니라 CE-ITO 기술은 차세대 우주용 초고효울 태양전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술로 적용이 가능할것으로 예상하고 있다.

저자멘트: 본 연구팀은 발상의 전환을 통해 광활성층 연구나 버퍼층 소재 연구가 아닌 모두가 연구하지 않는 ITO 투명 전극의 특성을 대폭 향상시켜 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율을 극대화 할수 있는 기술을 개발하였다. 본 연구진이 개발한 CE-ITO 기술은 페로브스카이트 태양전지 뿐만 아니라 무기 디스플레이, OLED, 스마트 윈도우, 터치패널, 바이오센서, 및 투명 전자 소자 기술에도 적용이 가능하기 때문에 차세대 광전소자 특성을 전극의 교체로 대폭 향상 시킬수 있는 핵심 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

CE-ITO 기술은 김한기교수 실험실 스타트업 회사인 ㈜코코넛머터리얼즈(http://www.coconutmaterials.com)를 통해 연구용 TEG (test element group) 제품으로 양산을 준비하고 있으며 페로브스카이트 태양전지를 연구하는 대학/연구소/기업을 대상으로 공급될 전망이다.

사업지원 및 논문게재: 이 연구결과는 과학기술정보통신부 연구재료개발확산사업 및 경기도지역협력연구센터 (GRRC)의 지원으로 수행되었으며, 에너지 분야 국제학술지 Advanced Energy Materials (IF: 29.698)에 12월 10일에 게재되었다.

UTG (Ultra Thin Glass)에 성막한 유연CEITO 박막.

일반적인 ITO와 CEITO에 제작한 페로브스카이트 태양전지의 계면 비교.

Adv. Energy. Mater. (2023)