▲ 친수성의 페로브스카이트 전구체 용액을 활용한 페로브스카이트 층은 표면을 다 덮지 못하고 가운데만 얼룩덜룩 붙어있는 모양이다. 하지만 계면상용화제를 도입한 경우 페로브스카이트 용액의 젖음 개선과 필름형성시 완벽하게 덮은 필름을 만든다..

국내 연구진이 태양전지 제작과정에서 생기는 결함 때문에 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 친수성과 소수성의 표면 모두에 잘 결합하는 양친성 소재를 이용해 해결하고 페로브스카이트 필름의 대면적화의 가능성을 열었다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 이광희 광주과학기술원 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다고 지난 26일 밝혔다.

쉽게 만들 수 있으면서도 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점 때문에 페로브스카이트 태양전지는 전 세계에서 연구개발이 이어지고 있다.

하지만 대면적의 페로브스카이트 태양전지는 소자 면적이 커짐에 따라 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있었다.

이유는 페로브스카이트 필름 형성 시 전체 면적을 덮지 못하며, 곳곳에 발생하는 구명 ‘핀홀’ 결함 때문인데, 이러한 결함은 이러한 결함은 페로브스카이트 전구체 용액이 유기전하수송층 위에 코팅될 때 발생하는 발수현상에 의해 발생했다.

이에 연구진은 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 저하하는 발수현상을 해결하기 위해 공액 고분자 전해질을 유기전하수송층 위에 계면 상용화제로 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 필름을 형성했다.

공액 고분자 전해질은 양친성을 가져 친수성의 페로브스카이트 전구체 용액과 소수성의 유기전하수송층 사이의 발수현상을 해결한다. 그 결과 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성을 획기적으로 증가시켜 넓은 면적에서도 고품질의 페로브스카이트 박막을 얻을 수 있게 해주었다.

양친성의 고분자 전해질 계면 상용화제를 적용하여 18.4cm²(4.6cm×4 cm)의 대면적 페로브스카이트 필름을 제작하고 그것을 기반으로 1cm² 면적의 페로브스카이트 태양전지 단위 셀 6개를 제작했다.

모든 단위 셀들은 평균 16% 이상, 최고 17%의 고효율을 보여, 대면적 페로브스카이트 태양전지 제작 시 태양광 전환효율 16% 이상을 기대 할 수 있다. 이는 연구실 단위 태양전지 효율 검증의 기준으로 적용되는 소면적(0.1 cm²) 단위소자 효율 19% 대비 90%에 근접하는 성능이며 대면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 성능이다.

이광희 교수는“이 연구는 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발한 것이다. 저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이광희 교수 연구팀의 연구는 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 4월 10일자에 게재됐으며 연구는 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업으로 수행됐다.