UNIST 박혜성·양창덕 교수팀, 페로브스카이트 복합안정성·광전기적 성질 개선

결정 알갱이 크게 키워 보도블록 틈 같은 경계면 결함 줄여

▲ Y-Th2 첨가제의 역할 / 페로브스카이트 내 구성 원소와의 반응을 통해 경계면 결함 등을 감소시키며 그에 따라 페로브스카이트의 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다.  © 특허뉴스

페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells, PSCs)는 제조단가가 매우 저렴하고 높은 효율 등으로 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 높은 효율에 비해 수분·열·빛 등에 대한 취약한 안정성은 상용화에 큰 걸림돌이 되었다.

이 때문에 페로브스카이트 광활성층의 분해를 가속화 하는 요소인 납(Pb)과 할라이드(염소 등) 이온의 공극(vacancy,원래 물질 원자가 있어야 할 자리가 비어있는 결함), 결정립 경계(grain boundary) 등을 줄이기 위한 페로브스카이트 층 형성 방법, 전자·정공 수송층의 변화·개질 등에 관한 많은 연구들이 진행되었다. 그 중 첨가물을 사용하는 방법은 결함을 효과적으로 감소시키는 것으로 알려져 있으나, 첨가물 자체의 수분 및 열에 대한 안정성, 비전도체 특성 등이 해결 과제로 남아있었다.

이러한 시기, 고효율, 저비용 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지의 안정성과 효율을 대폭 향상시킬 첨가제가 개발됐다.

UNIST 박혜성·양창덕 교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 핵심소재인 ‘페로브스카이트’에 미량의 유기화합물을 첨가해 태양전지의 수분·열·광 안정성을 복합적으로 개선했다. 전지가 태양광을 전기에너지로 변환하는 효율(광전변환효율) 또한 기존보다 17% 이상 향상됐다.

페로브스카이트는 햇빛을 흡수해 전하 입자를 만드는 태양전지의 핵심 소재다. 작은 결정 알갱이(grain)들이 뭉쳐진 다결정 구조다. 만들기 쉽고 가격도 저렴하지만 수분이나 열 같은 외부 자극에 약하다. 특히 결정 알갱이 사이의 ‘경계면 결함’(grain boundary defect)은 이 물질의 안정성을 떨어뜨리는 원인 중 하나다. 마치 보도블록 틈과 같은 경계면 결함을 따라 페로브스카이트가 외부자극을 받아 분해되는 현상이 가속화되기 때문이다. 또 이 경계면 결함에서 광(光)생성 전하 입자들이 사라져 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 떨어진다.

연구팀은 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 전체 경계면 결함을 줄이는 첨가제인 Y-Th2를 개발했다. 이 첨가제는 결정 씨앗(nucleation) 숫자 자체를 줄인다. 결정 알갱이는 씨앗이 먼저 만들어진 후 그 씨앗이 점점 자라는 방식으로 생기기 때문에 씨앗 숫자를 줄이면 알갱이 하나의 크기를 더 키울 수 있다. 또 이 첨가제가 결정을 천천히 자라게 만들어 결정 알갱이 내부의 원자가 고르게 배열되고 효율도 높아진다.

개발된 첨가제를 넣은 태양전지는 첨가제를 넣지 않는 태양전지보다 약 17% 향상된 21.5%의 초기 광전변환효율을 기록했다. 또 다양한 외부 자극에 대한 안정성이 복합적으로 향상돼 1,600시간 작동(40% 습도조건) 후에도 전지 초기 효율의 80% 이상을 유지했다. 반면 첨가제가 들어가지 않은 태양전지는 광전변환효율이 초기 효율의 30% 이하로 급감했다.

제1저자인 구동환 신소재공학과 박사과정 연구원은 “이 첨가제를 페로브스카이트에 넣으면 ‘루이스 산 염기 반응’과 ‘수소결합’을 통해 결정성(crystallinity, 원자배열이 고른 정도)은 우수하고 크기가 큰 결정 알갱이를 만들 수 있다”고 설명했다.

UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 “하나의 첨가제를 이용해 페로브스카이트 소재의 복합 안정성과 광전기적 성질을 모두 개선한 연구” 라며 “이번에 개발한 첨가제는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 LED(PeLED)와 같은 다양한 페로브스카이트 기반 광전 소자의 발전에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 에너지·재료 분야의 권위 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’ 에 10월 30일자로 온라인 공개됐으며 출판을 앞두고 있다.

논문명은 High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells with Operational Stability via n-Type Small Molecule Additive-Assisted Defect Passivation 이다.