▲ 페로브스카이트 태양전지 구조와 밴드 정렬된 이종접합구조 모식도 / (좌) 페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하여 전자/정공을 생성하는 페로브 스카이트 광흡수층(그림에서 검정색으로 표시)과 이를 적절하게 추출/수송하기 위한 전자수송층(SnO2, 그림에서 붉은색층으로 표시) 및 정공 수송층 (Spiro-OMeTAD, 그림에서 회색층으로 표시)로 이루어져 있다. 용액 및 저온 공정을 통해 페로브스카이트 박막이 제작되기 때문에 표면에 결함이 불가피하게 생성되며, 결함을 치유하기 위해 표면에 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 기반의 이종접합 구조를 형성하여 정공 추출/수송 능력을 향상시키도록 설계하였다. (우) 설계된 2D/3D 페로브스카이트의 에너지 밴드 정렬 구조의 모식도. 3D (FAPbI3)에 비해 높은 전도대 및 가전자대 에너지 구조를 가진 2D 페로브스카이트 (CHMA2PbI4, CHA2PbI4)의 이종접합을 통해 전자의 이동을 억제하고 정공을 원활하게 추출/수송할 수 있음을 규명하였다. (그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수)  © 특허뉴스

후처리 필요 없는 간단한 용액 공정으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율(23.91%)을 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 가깝게 향상시킨 연구결과가 나왔다.

한국연구재단은 성균관대학교 신현정, 박남규 교수 연구팀이 연세대학교 박종혁 교수 연구팀과 함께 페로브스카이트 이종접합 구조에서의 전하거동 특성을 제어한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제안했다고 17일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 유·무기 금속 할라이드 소재를 광흡수층으로 사용한 박막형 차세대 고효율 태양전지이다.

이번 연구에는 포항공대 이동화 교수 연구팀의 이론연구와 포항가속기연구소 안형주 박사의 가속기 고도분석도 포함되었다. 기존에도 이종접합 구조의 페로브스카이트에 대한 연구는 있었으나 후처리를 동반하는 공정이었다.

태양전지의 광전변환효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다.

표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용하여 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 하였다.

참고로, 2차원 페로브스카이트는 층상구조 형태를 나타내기 때문에 수직방향의 전하의 이동이 제한된다. 그에 반해 3차원 페로브스카이트 구조는 결정이 연속적인 형태이기 때문에 전하의 이동이 자유롭다.

기존에도 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다.

이를 위해 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분자를 탐색하였다.

용매와 분자 사이 최적의 화학반응으로 3차원 페로브스카이트 표면에 2차원 형태의 입체 구조가 자발적으로 접합되도록 유도하였다.

실제 이렇게 만들어진 이종접합 구조에서는 계단식 에너지 밴드 정렬로 인해 전하수송이 원활해지면서 광전하 추출효율이 높아져 23.91%의 광전효율변환 특성을 보였다. 기존 단일 구조에서의 광전변환효율은 20.41% 수준이다.

이번 연구의 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 9월 20일 게재(온라인)되었다. 학술적 진보성을 인정받아 해당 저널 issue 42 (2021) 커버 사진으로 채택되었다.