한국에너지기술연구원이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질을 개발했다.
페로브스카이트는 '탠덤 태양전지' 구현에 꼭 필요한 요소다. 최근 태양전지의 한계 효율을 극복하기 위해 활발히 연구되고 있는 '탠덤 태양전지'는 빛의 이용률을 높이기 위해 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 적층한 기술이다.
결정질이나 CIGS 태양전지의 상부에 단파장 빛 흡수에 적합한 물질을 결합해 발전 효율을 크게 높일 수 있는데, 적합한 물질이 페로브스카이트다.
기존 페로브스카이트 구조(전자수송층 - 페로브스카이트 광흡수층 - 정공수송층) 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 입사되는 상부 층에 정공수송층이 배치되는데, 이곳에서 입사 빛의 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어진다.
이 문제를 해결한 역구조의 페로브스카이트 태양전지(정공수송층 - 페로브스카이트 광흡수층 - 전자수송층)는 낮은 기생흡수로 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지에서 우수한 호환성을 보이지만, 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지에 비해 효율이 낮다.
이중 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트/실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율 향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다.
하지만 이로 인해 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 가장 큰 난제이며, 효율 저하의 원인으로 지목되고 있다.
연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정하며 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.
정공수송물질은 페로브스카이트 태양전지 내에서 정공의 원활한 수송을 도와줄 뿐만 아니라 생성된 전하가 재결합되는 현상을 억제해 소자의 성능향상에 도움을 준다.
연구진은 페노티아진 물질을 원료로, 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다.
이 정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO(Fluorine doped Tin-Oxide) 투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막(Self-Assembled Monolayer, 주어진 기질의 표면에 자발적으로 입혀진 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막)이 형성됐다.
이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.
또한 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어할 뿐 아니라 광흡수층과 우수한 에너지 레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성을 크게 향상시키는 것을 확인했다.
연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.
특히, 자리조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트/실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
교신저자인 홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라, 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 말했다.
헬로티 조상록 기자 |
