▲ 자가조립 정공수송층 물질의 화학구조 및 페로브스카이트 효율과 광안정성 비교(출처: UNIST)

국내연구진이 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 효율과 안정성을 개선할 수 있는 물질을 개발해, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 기여할 전망이다.

UNIST는 화학과 김봉수 교수팀이 탄소중립대학원 김동석·김진영 교수, 국립군산대학교 이경구 교수팀과의 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 새롭게 개발했다고 19일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 저렴한 소재와 공정비용으로 가격 경쟁력이 뛰어난 차세대 태양전지다. 전지에 들어가는 자가조립단층(SAM, Self-Assembled Monolayer)은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. SAM 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다.

연구팀은 이 SAM을 형성하는 4PACz 분자보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 MeS-4PACz을 개발했다. 해당 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 기존 SAM보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다.

태양전지는 광생성 전자(음전하 입자)와 정공이 전극으로 이동하는 현상으로 전기에너지를 뽑아내는 장치라 전자와 정공이 전극으로 잘 이동하면 전지 효율이 높아진다. 또 태양전지 출력과 장기안정성을 가늠하는 지표인 히스테리시스(hysterisis) 값도 월등히 개선됐다.

또 광안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양광에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 반면, 4PACz을 적용한 태양전지는 500시간 후 효율이 20% 이상 감소했다.

개발된 MeS-4PACz은 4PACz에 메틸티올 화학작용기(-SCH₃)가 첨가된 형태로, 페로브스카이트층과의 에너지 준위가 잘 맞춰져 있어 페로브스카트층에서 생성된 정공이 원활히 전극으로 나갈 수 있다. 또 메틸티올 작용기의 황은 페로브스카이트의 양이온과 강한 화학결합을 형성해 태양광 노출에도 페로브스카이트층을 초기 최적화 상태로 잘 유지하게 하며 계면 안정성을 크게 향상시킨다.

김봉수 교수는 “개발된 SAM은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높인 물질”이라고 말했다.