성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 중요 연구 결과를 발표하였다. 관련 연구 논문 4편이 재료분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내 저널인 Joule (영향력지수=29.155)지를 포함하여 Nature Communications, Advanced Functional Materials, Journal of the American Chemical Society 지에 차례로 게재되었다.

금속 할라이드 페로브스카이트 재료에 기반한 광전소자가 기존 상용화된 소자에 비견하는 성능을 보이며 최근 국내외 연구기관 및 기업에서 상용화를 위한 투자를 시작하고 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 25%를 넘어서면서 기존에 상용화된 실리콘 태양전지의 광전변환효율 (약 26%)에 근접하였으며, 제작단가가 훨씬 저렴할 것으로 기대되어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

페로브스카이트 광전소자 상용화를 향한 마지막 퍼즐은 소자 수명 개선을 위한 결함 생성 억제 및 치료 이슈이다. 저온 용액공정을 통해 제작되는 페로브스카이트 결정 박막 내에는 전하를 띈 이온성 결함이 높은 농도로 존재하는데, 이러한 결함은 결정 내 전하수송능력을 저하시켜 광전소자의 성능을 감소시킬 뿐만 아니라 전기장에 의해 쉽게 이동하여 소자의 수명에 치명적이다.

이진욱 교수 연구팀은 고체 에피택시얼 결정성장법을 이용하여 페로브스카이트 박막 내 결함농도를 획기적으로 줄이는 방법을 개발하였으며 (Nat. Commun., 2020, 11, 5514), 성장된 박막내에 결함을 부작용 없이 효과적으로 치료하는 방법을 개발하였다 (Joule, 2020, 4, 2426; Adv. Funct. Mater., 2020, 2007520; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20071). 해당 기술이 적용된 태양전지와 LED는 기존 소자에 비해 월등히 개선된 성능과 수명을 보였다.

이진욱 교수 연구팀이 개발한 기술은 페로브스카이트 광전소자의 안정성 문제를 해결하기 위한 중요한 과학적 단서를 제공하였을 뿐만 아니라 추후 페로브스카이트 광전소자 상용화를 위한 주요 원천기술이 될 것으로 예상되고 있다.

※ 관련 논문
1) Shallow iodine defects accelerate the degradation of α-phase formamidinium perovskite, Joule, 2020, 4, 2426. (교신저자-이진욱 교수)
2) Solid-phase hetero epitaxial growth of α-phase formamidinium perovskite, Nature Communications, 2020, 11, 5514. (제 1저자 및 교신 -이진욱 교수)
3) Stable and efficient methylammonium, cesium, and bromide-free perovskite solar cells by in-situ interlayer formation, Advanced Functional Materials, 2020, 2007520. (교신저자-이진욱 교수)
4) Molecular interaction regulates performance and longevity of defect passivation for metal halide perovskite solar cells, Journal of the American Chemical Society, 2020, 142, 20071. (교신저자-이진욱 교수)

그림: 고체 에피성장법을 이용한 고품질 페로브스카이트 박막 성장
(a) 상변이를 이용한 고체 에피성장법 모식도 (b) 기존 박막 성장법 및 에피성장법을 이용 시 상변이 속도 비교 (c, d) 기존 결정성장법과 에피성장법 (NHE)을 이용한 박막의 X-ray diffraction pattern 및 형광 라이프타임 측정 결과