[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 서로 다른 특성을 가진 유기 분자 두 종을 순차적으로 결합해 페로브스카이트 태양전지의 미세 빈틈을 이중으로 메우는 기술의 국산화에 성공했다.
한국에너지기술연구원은 태양광연구실 홍성준 박사 연구진이 울산과학기술원, 군산대와 역구조 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 극대화하는 '시너지 쌍분자 패시베이션' 계면 제어 기술을 개발했다고 밝혔다.
기존 역구조 페로브스카이트 전지는 박막 제조 시 발생하는 결정 경계 및 표면 결함으로 인해 전하 재결합 손실이 커 성능 향상에 한계가 있었다.
기존 기술은 단일 유형의 결함만 선택적으로 제어할 수 있어 잔여 결함으로 인한 손실을 완전히 막지 못했던 반면 이번 기술은 양이온·음이온 및 루이스 산·염기 등 다양한 결함을 동시에 이중으로 불활성화해 전하 손실을 차단했다.
연구진은 크기가 작은 프로판-1, 3-디암모늄 디아이오다이드(PDAI) 분자를 1차 투입해 결정립계 및 내부 미세 구멍을 메운 뒤 스타이릴기에 트리플루오로메틸기와 인산기가 결합된 유기분자인 4TF 분자를 순차 도입해 최상부 표면의 불안정한 납 원자와 결합시켰다.
이를 통해 제작된 태양전지는 최고 24.61%의 광전변환효율을 기록하며 표면처리를 하지 않은 대조군(21.21%) 및 PDAI 단독 사용군(23.17%) 대비 우수한 성능을 확인했다.
이번 기술은 서로 다른 두 분자의 협동 작용을 통해 페로브스카이트 박막과 전하 수송층 사이의 에너지 준위 정렬을 매끄럽게 조절하도록 설계됐다.
전지가 빛을 흡수해 생성한 전자와 정공이 계면 결함에 갇히지 않고 외부 회로로 신속하게 이동할 수 있는 환경이 조성되면서 개방 전압과 충전율이 정량적으로 함께 상승했다.
연구진은 두 분자가 과도하게 흡착돼 전하 흐름을 방해하는 절연층이 형성되지 않도록 수십 번의 나노미터 단위 박막 분석과 전기화학적 특성 평가를 반복, 최적의 처리 농도와 시간, 온도 조건을 찾아내며 공정 장애요소를 해결했다.
개발된 기술은 단위 소자 환경에서 세계적 수준의 효율성을 검증받은 성숙도 TRL 3~4 단계 수준이다.
연구팀은 향후 슬롯다이 코팅 등 대면적 공정과의 호환성을 검증해 실생활에 상용화 가능한 대면적 모듈 단위로 확장을 추진할 계획이다.
홍성준 박사는 “이번 성과는 친환경 재생에너지 시장의 기술 경쟁력을 제고할 핵심 원천 기술”이라며 “향후 대면적 코팅 및 모듈화 연구를 통해 가옥 지붕이나 건물 벽면, 자동차 등에 직접 적용 가능한 차세대 태양전지를 구현하여 탄소중립 실현에 기여하겠다”고 설명했다.
