페로브스카이트 태양전지에 첨가제 넣어 효율 올렸다

GIST 이광희·김희주 교수팀, L-알라닌 넣어
성능 떨어뜨리는 유해이온 붙잡아 성능 향상
태양전지 효율 기존 18.3%에서 20.3%로 증가

광주과학기술원 이광희 교수와 김희주 교수가 첨가제 'L-알라닌'을 넣어 만든 페로브스카이트 태양전지. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지에 첨가제를 사용해 성능을 높였다. 이는 전기를 만들때 태양전지 성능을 떨어뜨리는 유해 이온이 돌아다니지 못하도록 한 것이다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 이광희 교수와 융합기술제학부 김희주 교수가 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이는 방법을 발견했다고 28일 밝혔다. 연구진은 태양전지에 첨가제를 넣어 성능을 테스트한 결과 태양전지 소자 효율이 기존 18.3%에서 20.3%로 증가했다.

이광희 교수는 "이번 연구 성과는 유·무기 혼합 페로브스카이트 태양전지 개발에 있어 반드시 해결해야 할 물질 내부의 결함 문제를 간단한 하나의 양쪽성이온 분자로 해결할 수 있는 새로운 원리를 제시한 것"이라고 말했다.

연구진은 유·무기 복합 페로브스카이트 결정에서 원자배열의 주기성이 깨지는 부분을 한가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 양쪽성이온을 첨가제로 사용함으로써 유해 이온을 흡수하거나 움직이지 못하게 해 태양전지 성능을 높였다.

유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 용액공정이 가능하며 얇고 가벼우면서 25%가 넘는 고효율의 소자 성능으로 인해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 유·무기 복합 페로브스카이트 물질 자체의 결함으로 인한 소자의 성능이 감소하는 문제가 있어 고성능의 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 결함제어가 필수적이다.

페로브스카이트 물질 내부의 결함은 전하를 띄고 있다. 이 전하는 크게 양성과 음성으로 나뉜다. 이를 제어하기 위해 한 가지 전하 혹은 비공유 전자 쌍을 가지는 물질을 이용해 유해이온을 흡수하거나 이동을 저지하는 '부동태화' 방법이 널리 알려져 있지만 한 종류의 전하만을 부동태화 할 수 있는 것이 한계였다.

연구진은 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 양쪽성 이온의 대표적인 아미노산에 집중했다. 그 중 간단하면서 페로브스카이트 물질의 전구체와 비슷한 'L-알라닌'을 사용했다.

L-알라닌을 첨가제로 사용해 물질 내부의 결함 부동태화 및 결정립이 증가했으며, 태양전지 소자 효율이 기존 18.3%에서 20.3%로 증가했다.

이 교수는 "첨가제 사용으로 태양전지 분야뿐만 아니라 유·무기 혼합 페로브스카이트를 사용하는 발광다이오드, 트랜지스터, 광센서 등 여러 반도체 소자에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 '스몰(Small)'에 21일 온라인 게재됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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