경희대 연구팀, 금속과 고분자를 융합한 유·무기 고분자 전해질 소재 개발

경희대학교(총장 한균태) 화학과 워커 브라이트(Walker Bright James) 교수 연구팀이 구리 기반 전해질을 이용해 페로브스카이트 태양전지 효율을 높이는 데 성공했다. 이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성 모두 높여 큰 의의가 있다. 연구 결과는 ‘A Simple Cu(Ⅱ) Polyelectrolyte as a Method to Increase the Work Function of Electrodes and Form Effective p-Type Contacts in Perovskite Solar Cells’라는 논문으로 재료 분야 상위 5%의 국제학술지인 ‘Advanced Functional Materials, (IF=16.836)’에 3월 4일 자 온라인판에 게재되고, 연구 관련 특허 2건도 출원했다.

페로브스카이트는 2010년 태양전지의 광 흡수층으로 처음 도입돼 태양전지 발전에 큰 영향을 미친 유망한 반도체 물질이다. 페로브스카이트는 높은 전력 변환 효율을 갖고 전기발광 파장을 조절할 수 있어 태양전지, 발광다이오드(LED), 광검출기 등 다양한 광전기 소자에 이용된다.

페로브스카이트 태양전지는 소자 구조를 어떻게 구성하는지에 따라 효율이 좌우된다. 워커 교수 연구팀은 기존 페로브스카이트 태양전지 소자에 활용하던 고분자 전해질을 대체하는 구리 금속 이온 고분자 전해질을 개발해 문제점을 보완하고, 페로브스카이트 태양전지 효율과 안정성을 높였다.

정공수송층은 광 활성층이 빛을 받아 만든 정공을 전극으로 전달한다. 이때 전하 수집 효율을 높이고, 전극에서 전하 재결합을 줄여 광전자 소자에 중요하다. 정공수송층의 전기 전도도를 변화시키기 위해 반도체에 의도적으로 불순물을 첨가하는 데 이를 도펀트(Dopant)라고 한다. 도펀트 종류에 따라 반도체는 n형과 p형으로 나뉜다. 아민계 물질을 기반으로 하는 n형 도펀트는 많은 선행 연구가 진행됐지만, p형 도펀트 연구는 비교적 적다. 워커 교수 연구팀은 구리 금속 이온을 활용해 p형 도펀트 연구를 진행했다.

저분자 유기물질, 고분자 물질 등 다양한 재료가 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 활용되는 데 그중에서도 전도성 고분자 PEDOT:PSS가 대표적으로 사용된다. 하지만 전도성 고분자 PEDOT:PSS는 강한 산성 수용액을 가져 투명전극(ITO)의 부식을 유발하고, 투명전극에서 인듐(In)과 주석(Sn)을 확산시키는 등 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 떨어뜨린다.

안정성 저하 문제를 해결하기 위해 연구팀은 높은 전하 수송 효율을 갖는 구리 금속 이온을 활용해 새로운 고분자 전해질을 개발했다. 새로운 고분자 전해질은 전도성 고분자 PEDOT:PSS와 달리 중성 성향을 가져 전극 부식을 막아 안정성이 높고, 성능도 향상됐다. 동시에 높은 용해도를 가져 반도체를 액체로 만드는 용액공정인 스핀코팅(Spin-Coating), 잉크젯 프린팅(Ink-Jet Printing)에도 적용할 수 있다.

워커 교수는 “페로브스카이트 태양전지에 p형 도펀트를 형성하는 구조를 디자인하고, 고분자 전해질의 반대이온을 활용해 도펀트가 가능하다는 사실을 증명해 주목할만하다”며 이어 “상대적으로 연구가 적게 진행된 p형 도펀트 연구로 향후 p형 도펀트를 활용한 페로브스카이트 태양전지 개발에 효과적으로 사용될 것”이라고 말했다.

연구팀은 구리 기반 고분자 전해질을 정공수송층으로 활용한 페로브스카이트 태양전지 소자도 개발했다. 이 소자는 높은 충전율을 보이고, 개로 전입(Voc)도 증가해 전도성 고분자 PEDOT:PSS 대비 최대 19.44%까지 전력 변환 효율이 상승했다. 또한 필름 투과도도 전도성 고분자보다 높은 98.8~99.3%의 투과도를 보여 단락 전류(Jsc)도 상승함을 확인했다. 이는 구리 기반 고분자 전해질이 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 박막 트린지스터(Thin Film Transistot), 발광다이오드 등 다양한 유기·유무기 복합 반도체에도 적용할 수 있음을 뜻한다.

워커 교수는 “새로 개발한 태양전지 소자는 기존 태양전지 소자보다 많은 장점을 가진다”며 “보다 좋은 효율과 높은 안정성, 구성하는 성분 가격이 낮으면서도 상온에서 가공할 수 있어, 미래 에너지원인 페로브스카이트 태양전지 개발에 새로운 방향을 제시해 의의가 크다”고 말했다.

온라인 중앙일보