군산대, 페로브스카이트 태양전지 안정·효율 향상 전략 규명

첨가제 농도 제어로 전하 손실 억제

광전변환효율 20.98% 달성·국제학술지 게재

(사진=군산대 제공) *재판매 및 DB 금지

[군산=뉴시스]고석중 기자 = 전북 국립군산대학교 양정엽·이용제 교수 연구팀이 한국폴리텍대학 아산캠퍼스 박주상 교수와의 공동연구를 통해 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높이는 첨가제 농도 제어 전략을 규명했다.

2일 군산대에 따르면 김미정·김문회 연구자가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제학술지 '셀 리포츠 피지컬 사이언스(Cell Reports Physical Science)' 온라인판에 실렸다.

페로브스카이트 태양전지는 뛰어난 빛 흡수 능력과 비교적 간단한 용액 공정 덕분에 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있으나, 소재 내부와 결정립 경계에 존재하는 결함이 빛으로 생성된 전하의 손실을 유발해 효율과 안정성을 떨어뜨리는 한계가 있었다.

연구팀은 세슘(Cs), 포름아미디늄(FA), 메틸암모늄(MA)을 함께 사용하는 삼중 양이온 페로브스카이트에 유기 첨가제인 페네틸암모늄 아이오다이드(PEAI)를 소량 넣은 뒤, 농도에 따른 결정구조와 전기적 특성, 소자 성능의 변화를 정밀 분석했다.

그 결과 낮은 농도의 PEAI를 첨가할 경우 기존의 3차원 페로브스카이트 결정구조를 유지하면서도 결함에 의한 전하 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 반면 첨가제 농도가 과도하게 높아지면 저차원 결정상 형성과 관련된 구조적 변화가 발생해 적절한 농도 제어가 핵심 변수임이 확인됐다.

실제로 PEAI를 0.50wt%(중량퍼센트) 첨가한 소자는 최고 광전변환효율 20.98%를 달성해 무첨가 소자(18.33%)보다 효율이 2.65%포인트 향상됐다. 각 조건에서 제작한 20개 소자의 평균 효율 역시 18.03%에서 20.52%로 높아져 성능 개선의 재현성도 입증했다.

광학·전기적 분석에서도 뚜렷한 결함 억제 효과가 확인됐다. 빛으로 생성된 전하 운반자의 평균 수명은 기존 94.53나노초(ns)에서 206.46나노초로 약 2.2배 늘었으며, 전하를 붙잡는 트랩 밀도는 약 33% 감소해 결함에 의한 비방사성 재결합과 전하 손실이 크게 줄어들었다.

고온·고습 환경에서의 장기 안정성도 대폭 개선됐다. 봉지 처리한 소자를 온도 85도, 상대습도 85%의 가혹 조건에서 평가한 결과, PEAI를 0.50wt% 첨가한 소자는 1000시간 경과 후에도 초기 효율의 약 57%를 유지했다. 반면 무첨가 소자는 740시간 만에 초기 효율이 약 6% 수준으로 급감했다.

연구팀은 이번 성과가 향후 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 소재 설계와 공정 최적화의 핵심 기초자료로 활용될 것으로 기대하고 있다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부(한국에너지기술평가원)와 과학기술정보통신부(한국연구재단), 교육부·전북특별자치도(전북 ANCHOR 사업)의 지원을 받아 수행됐다.


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