열과 빛에 강한 고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발

고분자 전해질층(CzNBr)이 도입된 페로브스카이트 태양전지 구조(a), 주사전자현미경으로 측정된 태양전지단면(b), 고분자 전해질의 화학구조(c). (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장 김기선)은 에너지 융합대학원 김희주 교수와 신소재공학부 이광희교수 공동연구팀이 부산대 화학과 서홍석 교수 연구팀과 함께 페로브스카이트 내부의 이온결함을 흡수하는 초박막 전해질층 도입을 통해 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시켰다고 지난달 2일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 높은 흡광도와 넓은 영역의 태양광 흡수가 가능한 유기물과 금속의 혼합체 기반의 페로브스카이트 결정으로 만든 차세대 태양전지이다. 용액공정이 가능하여 고효율 박막형 태양전지 중 가장 높은 에너지 전환효율이 보고되고 있다.
용액공정으로 제작되는 페로브스카이트 박막은 높은 결정성을 가진 다결정 박막이지만 결정과 결정사이, 또는 박막의 표면에 이온 결함들이 존재한다. 페로브스카이트 태양전지가 열, 빛, 공기에 노출되었을 때 표면 및 내부에서 상부로 이동한 이온결함들은 상부전극을 부식시켜 태양전지의 성능을 저하시키기 때문에 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌인 낮은 안정성의 원인이 되고 있다.
고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현을 위하여 페로브스카이트 전구체 용액에 금속 이온 또는 유기물 등을 첨가하여 결정을 단단하게 하거나, 상·하부 기능층을 새로운 물질로 대체하는 등의 다양한 방법을 동시에 적용하는 방법들이 개발되고 있다. 하지만 연속 공정을 통한 상용화를 목표로 하는 페로브스카이트 태양전지를 위해서는 보다 간단한 접근방법의 개발이 필요하다.
연구팀은 열적 안정성이 높은 카바졸(carbazole) 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민(amine) 작용기가 도입된 새로운 고분자 전해질을 개발하고, 이를 페로브스카이트 상부 전극과 페로브스카이트 박막사이에 초박막으로 도입했다.
김희주 교수는 “단 한층의 용액공정이 가능한 유기 전해질을 페로브스카이트 태양전지에 도입하여 손쉽게 페로브스카이트 태양전지의 열, 빛 및 공기 안정성을 획기적으로 향상시켰다”면서 “향후 다양한 외부 환경에서도 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 지스트 GRI, 한국연구재단이 지원하는 미래수소원천기술개발사업, 글로벌 연구실 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 Energy & Fuel 분야 논문인 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 2월 2일자 온라인에 게재됐다.