성균관대 에너지과학과 신현정‧화학공학과 박남규 교수 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 안정화 기술 개발
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성균관대 에너지과학과 신현정‧화학공학과 박남규 교수 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 안정화 기술 개발
  • 이현건 기자
  • 승인 2021.09.11 01:25
  • 댓글 0
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- 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화 가능성 앞당길 것으로 기대

 

(왼쪽부터) 성균관대학교 에너지과학과 신현정 교수, 화학공학과 박남규 교수, 제1저자 서성록 박사

성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 신현정 교수(제1저자 서성록 박사)와 화학공학과 박남규 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 고효율 및 안정성을 동시에 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다. 

연구진은 비정질 이산화 티타늄 박막의 페로브스카이트 태양전지 적용에 대한 새로운 활용법을 연구하여, 기존 태양전지의 효율증가와 안정성을 약 3배 이상 향상시킬 수 있는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 안정화 기술을 개발한 것이다. 이로써 페로브스카이트 태양전지의 상용화 가능성을 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 빛, 수분, 열 등의 다양한 환경요인에 의해 열화가 촉진되며, 태양전지의 안정성이란 이러한 요인들에 저항해 초기의 성질을 유지하는 능력을 뜻한다. 연구진은 페로브스카이트 소재 자체뿐만 아니라 소자를 이루는 다양한 구성층(전하수송층 및 전극)의 안정성 도모를 통해 태양전지의 열화를 막는 연구를 추진했다.

페로브스카이트 태양전지의 유기 정공수송층(Spiro-OMeTAD)은 고효율 특성을 위한 필수적인 구성층이지만, Li 첨가제 및 상부 전극물질의 확산문제로 인해 소자의 장기수명을 저하시키는 주요인이다. 이에 연구팀은 이러한 물질 확산에 의한 열화를 방지하는 방법으로 원자층 증착법을 이용한 Spiro-OMeTAD/TiO2 복합층을 고안했다.

원자층 증착법은 조밀한 막질을 균일하고 정밀하게 성장시킬 수 있는 박막형성법으로 Spiro-OMeTAD와 전극 사이에 위치할 경우 우수한 확산방지막으로 활용될 수 있으나, 이 경우 홀수송이 가능한 p형반도체만이 가능하다는 기술적 한계가 있었다.

TiO2 박막은 근본적으로 n형 반도체의 성질이 있지만, 원자층 증착법을 활용해 비정질 TiO2 박막을 형성했을 때 고밀도의 트랩준위형성으로 홀을 수송할 수 있는 충분한 채널이 형성됨을 확인하였고, 연구팀은 이를 홀수송이 가능하며 동시에 이온 확산을 방지하는 복합기능성 박막으로 활용하였다.

본 연구에서 제작한 페로브스카이트 태양전지는 기존 소자 대비 실제 작동환경(1sun, AM 1.5G illumination with maximum power point tracking)에서 약 3배 이상 향상된 안정성을 보여주었다.

페로브스카이트 태양전지의 수명 문제를 극복할 실마리가 될 이번 성과는 과학정보기술통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 ACS Energy Letters(IF=23.101), JCR 상위 3.58%(12/335, 재료과학/융복합분야)에 8.27(금) 게재되었다.

 

페로브스카이트 태양전지 효율 특성 평가 곡선 (전류밀도 vs. 개방전압)

 


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