차세대 태양전지 소재 ‘페로브스카이트’는 뛰어난 광전변환 효율과 저렴한 제조비용으로 각광받고 있지만, 고성능 태양전지 개발을 위해 사용되고 있는 산화주석(SnO2) 소재 내 결함으로 인해 효율과 장기적 안정성이 떨어지는 문제가 있다.
한국연구재단은 성균관대 신성식 교수팀이 울산과학기술원, 한국화학연구원과 공동연구로 과량의 리간드 기반 화학용액증착(CBD) 공정으로 결함이 억제된 무결점 SnO2 전자수송층을 개발, 고효율·고발광 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다고 25일 밝혔다.
연구팀은 CBD 공정에서 과량의 리간드 전략을 도입, SnO2 전자수송층 내 결함을 획기적으로 줄여 표면재결합 속도를 가장 낮은 수치인 5.5㎝/s까지 낮추는 데 성공했다.
과량의 리간드 전략은 SnO2 박막이 형성될 때 Sn 이온과 리간드의 결합을 제어, Sn 이온의 완전 산화와 기판에 균일한 증착을 유도하는 전략이다.
이를 통해 불균일한 박막 형성의 억제가 가능하고, 결함이 적은 고품질의 SnO2 전자수송층을 형성할 수 있다.
그 결과 페로브스카이트 태양전지 하나의 소자에서 태양전지 효율 26.4%, LED 효율 24.8%라는 획기적 성과를 달성했다.
또 저온·용액 기반 공정 프로세스로 고가 장비 없이도 증착효율을 크게 증가시켜 공정 시간을 획기적으로 단축했다.
이번 연구성과는 하나의 소자에서 고성능 페로브스카이트 태양전지와 고성능 LED를 동시에 구동할 수 있는 기술을 개발했다는 데 의의가 있다.
신 교수는 "공정시간은 줄이면서도 산화물 소재의 고질적 결함을 잡아 고성능 태양전지와 LED를 동시에 구현할 수 있는 길을 열었다”며 "제조 비용을 낮추면서도 성능은 높이는 꿈의 광전소자 상용화를 현실로 만드는 디딤돌이 될 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구결과는 지난 4일 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 표지논문으로 선정됐다.
