드라이룸 탈출한 페로브스카이트 태양전지 개발

반용매세척법을 이용한 페로브스카이트 제작 공정 모식도. (자료제공: 한국연구재단)

외부 공기를 차단한 글로브박스나 습도를 제어한 드라이룸이 아닌 사람들이 쾌적하다고 느끼는 정도의 습윤환경에서도 페로브스카이트 태양전지 제작이 가능하다는 실마리가 나왔다.
한국연구재단은 이만종 건국대학교 교수 연구팀이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 일반 습윤 대기 환경(상대습도>40%)에서 제작할 수 있는 새로운 반용매 세척법을 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.
반용매 세척(anti-solvent washing)은 페로브스카이트 성분물질이 용매에 녹아있는 용액으로부터 용매만을 휘발시켜 광활성층으로 쓰일 박막형태의 페로브스카이트를 얻는다. 휘발과정을 적절히 조절하기 위해 반용매를 분사하는 것을 반용매 세척이라 한다.
페로브스카이트 전구체 용액의 용매를 제거하여 빠른 페로브스카이트 결정화를 유도하는 공정(반용매 세척법)이 널리 이용되지만 엄격히 통제된 조건에서만 이뤄졌다. 높은 습도에서는 전구체 용액이 수분과 결합하면서 고품위 페로브스카이트 결정 형성을 방해하기 때문이다.
연구팀은 습도에 따른 영향을 상쇄하기 위해 서로 상보적인 낮은 증기압 특성과 낮은 끓는점 특성을 갖는 다이부틸에터와 다이에틸에터가 혼합된 반용매로 용매를 제거하는 공정을 개발했다. 기존 용매제거에 쓰이던 클로로벤젠과 다이에틸에터가 습윤환경에서 빠르게 증발, 페로브스카이트 광활성층의 변형이나 스트레스를 초래하던 것을 극복하기 위한 것이다.
실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 습윤 대기 환경하에서 제작된 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율(22.06%)과 안정성(1,200시간 후 초기효율의 94% 유지)을 나타냈다. 연구팀은 페로브스카이트 박막 제작과정에서 수분과의 반응이 박막 표면에 요철을 발생시키며 이 요철로 인한 전하이동도 저하가 태양전지 효율 감소로 이어지는 것을 규명해 냈다.
이만종 교수는 “엄격히 조절된 환경 제약에서 탈피하여, 습윤 환경조건에서도 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현이 가능함을 제시하였다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업의 지원으로 수행된 이번 결과는 에너지/소재 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’에 7월 30일 온라인 게재됐다.