▲ (a) 연구에 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조 (b) PhNa-1T의 화학구조 (c) 소자 각층의 에너지레벨 (d) 정공수송층의 표면거칠기 (e) 정공수송층의 투과도.

최근 국내 연구진이 기존 태양전지에서 정공 수송층으로 이용되는 물질을 대체하고 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 발견해 높은 성능과 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)는 19일 손해정, 고민재 광전하이브리드연구센터 박사팀이 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발했고 이를 활용한 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

역구조 페로브스카이트 태양전지 구조 (ITO/PhNa-1T/페로브스카이트/전자수송층/은)에서 ITO 위에 코팅되는 PhNa-1T와 같은 정공수송층으로, 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 ITO 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다.

기존에 널리 사용되던 정공수송층은 강산성이기 때문에 산성에 약한 ITO를 부식시켜 소자 수명을 단축시키는 문제점이 있었으며, 또한 낮은 성능으로 광전 변환 효율이 낮은 단점이 존재했다.

이러한 관점에서, 새로운 정공수송층은 빛을 흡수하는 ITO의 부식을 억제하여 소자의 수명을 늘릴 수 있어야 하며 높은 성능으로 광전 변환효율이 높은 고안정성-고효율 페로브스카이트 태양전지가 개발 되어야 했다.

이에 공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체하여 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다.

이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다.

이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은 물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다.

또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 보였다.

연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자에 표지논문으로 게재됐다.