UNIST, 같은 원료 배합도 소자 구조 따라 성능 달라지는 원인 규명

- 첨가물 바꿔 역구조에서 고효율 유지·탠덤 태양전지 원천 설계 기술 

- 고효율 탠덤 태양전지 개발에 기여 기대

연구진 사진. (좌측부터) 석상일 특훈 교수, 김종범 연구원, 신나혜 연구원. (자료제공: UNIST)

정구조용 페로브스카이트 원료를 역구조 태양전지에 적용할 때 생기는 계면 결함과 염소 공급 물질 변경을 통한 문제 해결 방안. (자료제공: UNIST)

고효율 페로브스카이트 원료 배합을 그대로 옮겨 태양전지를 만들어도, 층을 쌓는 순서가 달라지면 효율이 뚝 떨어지는 이유를 국내 연구진이 찾아냈다. 페로브스카이트 광흡수층 아래에 놓이는 재료가 바뀌면서 결정이 자라는 방식도 달라졌기 때문이다. 

역구조의 바닥 재료에 맞게 원료 배합을 손보자 태양전지 효율은 26.3%까지 올라갔다. 역구조 전지는 실리콘과 페로브스카이트 전지를 결합한 탠덤 태양전지의 상부 셀에 주로 쓰이는 만큼, 고효율 탠덤 전지 개발에 도움이 될 전망이다.

UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수팀이 정구조 태양전지용으로 개발된 고효율 페로브스카이트 원료를 역구조에 적용할 때 성능이 떨어지는 원인을 규명하고, 첨가 물질을 바꿔 고효율 역구조 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 8월 5일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 용액을 바르는 공정으로 얇고 가볍게 만들 수 있는 차세대 태양전지다. 특히 역구조는 아래 실리콘 전지로 전달되는 빛의 손실이 적어, 현재 고효율 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 상부 셀에 주로 쓰인다. 역구조는 유기물 정공전달층을 페로브스카이트 결정 박막 아래에 깔은 전지다. 

연구팀이 밝혀낸 바에 따르면, 정구조에서 첨가량을 늘려 결정성장을 돕던 염화메틸암모늄(MACl)이 역구조에서는 첨가량이 늘어나면 결함을 발생시켰다. MACl이 들어간 페로브스카이트 원료 용액을 결정화하는 과정에서 중간물질이 생기는데, 이 중간물질이 열처리 시 뒤늦게 빠져나가면서 페로브스카이트층 바닥, 즉 아래 정공전달층과 맞닿는 매몰 계면에 빈틈과 결함이 생기는 것이다. 빈틈과 결함은 ‘전기 입자’인 전하가 손실되는 지점이 되고, 태양전지 효율이 떨어지게 된다. 

연구팀은 MACl의 양을 기존 30몰%에서 10몰%로 줄이고, 대신 염화납을 2몰% 넣어 고효율 전지를 만들었다. 염화납이 염소를 납과 강하게 결합한 상태로 바닥 부근에 머물게 해, 결정이 생기기 시작하는 시점과 위치를 고르게 조절해 주는 원리다.

조절된 배합을 적용한 전지는 최고 효율이 26.3%까지 올라, 정구조와 맞먹는 효율을 기록했다. 반면 기존 원료 배합은 전지 효율이 정구조 대비 2/3 수준에 그쳤다.

한편, 페로브스카이트 결정의 성장 과정과 염화납이 염소를 붙잡아 두는 효과를 확인하는 데는 포항가속기연구소의 첨단 분석법이 활용됐다.

석상일 특훈교수는 “정구조용 원료 배합이 역구조에서 성능이 떨어지는 근본 원인을 찾아냈으며, 역구조 태양전지의 효율을 높일 수 있는 원리와 설계 방향을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지의 고효율 상부 셀 개발을 주도해 나갈 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 분야 권위 저널 중 하나인 ‘줄(Joule)’에 7월 28일 온라인 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]