성균관대 성균나노과학기술원 이진욱 교수 연구팀은 최근 기존 페로브스카이트 태양전지에서 수명저하를 초래하는 이종접합 계면에서의 에너지밴드 구조 왜곡현상을 규명하고 태양전지 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혀 주목받고 있다.
저가 용액공정으로 생산되는 페로브스카이트 태양전지는 25% 이상 높은 에너지효욜로 탄소중립 시대를 위한 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 국내·외 학계와 산업계에서는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 연구과제 중 하나인 소자구동 수명개선을 위한 연구에 박차를 가하고 있다.
고효율 장수명 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해서는 페로브스카이트 박막 내부와 표면에 존재하는 결정결함의 농도를 최소화하는 것이 필수다. 2018년 알킬암모늄 할라이드 소재를 활용한 페로브스카이트 박막 표면 결함치료법이 개발된 이후 보고된 모든 고효율 페로브스카이트 태양전지에 적용되고 있다.
페로브스카이트 박막과 전하전달층 계면에 알킬암모늄 할라이드 포면결함치료층을 도입하는 기술은 에너지변환효율 향상에 기여하는 것으로 알려졌으나 페로브스카이트 박막과 전하전달층 계면에서의 에너지밴드구조를 왜곡시키는 부작용을 초래할 수 있다.
그러나 앞선 연구에서든 페로브스카이트 태양전지 효율개선을 위해 사용된 표면치료층의 효율향상효과에만 주목했으며 동반하는 계면 에너지밴드구조 왜곡에 의해 발생할 수 있는 부작용에 대한 연구는 미흡했다.
에너지밴드구조 개선…효율·수명↑
이진욱 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 기존에 사용되는 페로브스카이트 박막 결함치료소재가 태양전지 소자 내 이종접합계면에서 에너지밴드구조를 왜곡시키고 빛에 의해 생성된 전하수집을 방해해 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저해한다는 사실을 밝혔다.
또한 기존 표면결함소재에 의해 발생하는 페로브스카이트 태양전지 수명저하 부작용을 없애고 태양전지 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 표면결함 치료기술을 개발했다.
이번 연구를 통해 개발된 표면결함치료층이 도입된 페로브스카이트 태양전지는 세계최고 수준의 효율과 수명을 달성했다.
이진욱 교수 연구팀의 연구는 페로브스카이트 박막의 일함수 변화와 이에 따른 이종접합 계면에서의 에너지밴드 구조변화에 대한 근본적인 이해를 발전시켰으며 페로브스카이트 태양전지 수명문제 해결을 위한 중요한 단서를 제공해 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.
이진욱 교수는 “현재 널리 사용되는 계면 삽입층에 따른 에너지밴드구조 변화와 태양전지 수명에 대한 연구가 미흡해 연구를 시작하게 됐다”라며 “대부분 고효율 페로브스카이트 태양전지 제작에 사용되는 표면결함치료층의 수면저하 부작용을 밝혀냈으며 이종결합 계면 에너지밴드구조 제어를 위한 이론적인 이해를 발전시켰다”고 밝혔다.
이어 “이번 연구는 페로브스카이트 소재를 사용하는 모든 광전자 소자에 적용할 수 있어 영향력이 상당할 것으로 예상된다”고 덧붙였다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘기초연구사업’과 산업통상자원부 ‘에너지인력양성사업’ 지원을 통해 수행됐으며 세계적인 학술지 ‘네이처’지에 3월15일 온라인 게재됐다.
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