내부결함 ‘첨가제’로 해결…페로브스카이트 태양전지 효율↑

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이광희 교수와 융합기술제학부 김희주 교수 연구팀이 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 이온을 활용, 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이는 방법을 찾아냈다고 28일 밝혔다.

연구팀은 양쪽성이온 첨가제를 통해 유·무기 복합 페로브스카이트 내부 결함의 부동태화(유해 이온의 흡수 혹은 이온의 이동 저지)를 통해 페로브스카이트 태양전지 성능을 높일 수 있음을 확인했다.

유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 용액공정이 가능하며 얇고 가벼우면서 25%가 넘는 고효율의 소자 성능으로 인해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 유·무기 복합 페로브스카이트 물질 자체의 결함으로 인한 소자의 성능이 감소하는 문제가 있어 결함제어가 필수적이다.

페로브스카이트 물질 내부의 결함은 전하를 띄고 있으며, 이 전하는 크게 양성과 음성으로 나뉜다. 이를 제어하기 위해 한 가지 전하 혹은 비공유 전자 쌍을 가지는 물질을 이용해 부동태화하는 방법이 널리 알려져 있지만 한 종류의 전하만을 부동태화 할 수 있는 것이 한계였다.

연구팀은 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 양쪽성 이온의 대표적인 아미노산에 집중, 그 중 간단하면서 페로브스카이트 물질의 전구체와 비슷한 L-알라닌을 사용했다.

L-알라닌을 페로브스카이트 물질의 첨가제로 사용해 물질 내부의 결함 부동태화 및 결정립 증가를 확인했으며, 태양전지 소자 효율이 기존 18.3%에서 20.3%로 증가함을 확인했다.

이러한 소자 효율의 향상을 광 발광 분광법과 시간 관련 단광자 계산 기법을 통해 페로브스카이트 물질의 비방사 재결합 저해로 인한 것임을 확인했으며, 특히 광 발광 수명이 10배 이상 증가했다. 또한 공간 제한 전류 측정을 통해 내부 결함의 감소를 측정, 저온에서의 전도도 측정 분석으로 양쪽성이온이 페로브스카이트 내부의 이온 이동을 저해시키는 것을 확인했다.

이광희 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 태양전지로 주목받고 있는 유·무기 혼합 페로브스카이트 태양전지 개발에 있어 반드시 해결해야 할 물질 내부의 결함 문제를 간단한 하나의 양쪽성이온 분자로 해결할 수 있는 새로운 원리를 제시했”면서 “이는 태양전지 분야뿐만 아니라 유·무기 혼합 페로브스카이트를 사용하는 여러 반도체 소자에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’ 1월 21일 온라인판에 게재됐다.