첨가제 농도 제어, 광전변환효율 20.98% 달성
고온·고습서 1000시간 지나도 효율 57% 유지

국립군산대 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 함께 높일 수 있는 첨가제 농도 제어 기술을 제시했다. 특정 농도의 유기 첨가제를 사용해 전하 손실을 줄이고 고온·고습 환경에서 성능 저하를 늦추는 방법으로, 차세대 태양전지의 소재와 공정 개발에 활용될 것으로 기대된다.

국립군산대는 양정엽·이용제 교수 연구팀이 한국폴리텍대학 아산캠퍼스 박주상 교수와 공동연구를 통해 이 같은 성과를 거뒀다고 2일 밝혔다. 김미정·김문회 연구자가 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘셀 리포츠 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)’에 온라인 공개됐다.

페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하는 능력이 뛰어나고 용액 공정으로 비교적 간단하게 제작할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 다만, 소재 내부와 결정립 경계에 존재하는 결함이 전하 손실을 일으켜 효율과 안정성을 떨어뜨리는 한계가 있다.

페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 함께 높일 수 있는 첨가제 농도 제어 기술을 제시한 국립군산대 연구팀. 군산대 제공

연구팀은 세슘(Cs)·포름아미디늄(FA)·메틸암모늄(MA)을 함께 사용하는 삼중 양이온 페로브스카이트에 유기 첨가제인 페네틸암모늄 아이오다이드(PEAI)를 넣고 농도에 따른 결정구조와 전기적 특성, 소자 성능을 분석했다.

그 결과 PEAI를 0.50wt% 첨가한 소자의 광전변환효율은 최고 20.98%로, 첨가제를 넣지 않은 소자(18.33%)보다 2.65%포인트 높았다. 20개 소자의 평균 효율도 무첨가 조건의 18.03%에서 20.52%로 개선됐다.

전하 손실을 줄이는 효과도 확인됐다. 빛으로 생성된 전하 운반자의 평균 수명은 94.53나노초에서 206.46나노초로 약 2.2배 늘었고, 전하를 붙잡는 트랩 밀도는 33%가량 감소했다. 연구팀은 낮은 농도의 첨가제가 기존 3차원 결정구조를 유지하면서 결함을 억제했지만, 농도가 높아지면 저차원 결정상이 형성되는 등 구조적 변화가 나타났다고 설명했다.

고온·고습 환경에서의 안정성 평가에서도 차이를 보였다. 봉지 처리한 소자를 온도 85도, 상대습도 85% 조건에 노출한 결과, PEAI를 0.50wt% 첨가한 소자는 1000시간 후 초기 효율의 57% 정도 유지했다. 무첨가 소자는 740시간이 지난 뒤 초기 효율의 6%만 남았다.

연구팀은 이번 성과가 첨가제 농도를 조절해 페로브스카이트의 결정구조를 유지하면서 결함에 따른 전하 손실을 줄일 수 있음을 보여준다고 밝혔다.

이번 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 교육부·전북도의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 고효율·고안정성 태양전지의 소재 설계와 제조 공정 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 전망이다.

군산=김동욱 기자 [e-mail]