- 고효율 탠덤 태양전지 구현을 위한 페로브스카이트 소자용 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질 개발

- 페로브스카이트 태양전지 효율안정성 향상 및 다중접합태양전지 적용 확대 예상

- Advanced Energy Materials(IF 29.368) 1월 표지논문 장식

□ 태양전지의 한계 효율을 극복하기 위해 ‘탠덤 태양전지’에 대한 연구가 활발하다. 탠덤 태양전지는 빛의 이용률을 높이기 위해 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 적층한 기술로, 결정질이나 CIGS 태양전지의 상부에 단파장 빛 흡수에 적합한 페로브스카이트를 결합해 발전 효율을 크게 높일 수 있다. 이는 태양광 발전에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대되고 있다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’)은 이러한 고효율 탠덤 태양전지 구현에 필요한 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막* 기반의 정공수송물질**을 개발했다.

* 자기조립단분자막(Self-Assembled Monolayer, SAM): 주어진 기질의 표면에 자발적으로 입혀진 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막

** 정공수송물질: 페로브스카이트 태양전지 내에서 정공의 원활한 수송을 도와줄 뿐만 아니라 생성된 전하가 재결합되는 현상을 억제해 소자의 성능향상에 도움을 줌

□ 기존 페로브스카이트 구조* 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 입사되는 상부 층에 정공수송층이 배치되는데, 이곳에서 입사 빛의 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어진다. 이 문제를 해결한 역구조의 페로브스카이트 태양전지**는 낮은 기생흡수로 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에서 우수한 호환성을 보이지만, 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지에 비해 효율이 낮다.

* 전자수송층 - 페로브스카이트 광흡수층 - 정공수송층

** 정공수송층 - 페로브스카이트 광흡수층 - 전자수송층

□ 이중 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트/실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율 향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다. 하지만 이로 인해 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 가장 큰 난제이며, 효율 저하의 원인으로 지목되고 있다.

■ 연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정하며 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.

□ 연구진은 페노티아진 물질을 원료로, 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다. 이 정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO(Fluorine doped Tin-Oxide) 투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막이 형성됐다. 이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.

□ 또한 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어할 뿐 아니라 광흡수층과 우수한 에너지 레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성을 크게 향상시키는 것을 확인했다.

■ 연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

■ 특히, 자리조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트/실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

■ 교신저자인 홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라, 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 에너지연 기본사업인 ‘세대 융합형 화합물/실리콘 다중접합 태양전지 기술(연구책임자 안세진 박사)’ 과제의 지원을 받아 수행됐으며 울산과학기술원 화학과 박영석 교수와 공동연구를 통해 이루어졌다.

□ 특히 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 분야 최우수 국제학술지인 ‘Advanced Energy Materials(IF 29.368)’紙의 1월 표지논문(Front cover)을 장식했다.