차세대 '탠덤 태양전지' 효율·안정성 확 올라간다

에너지연, 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질 개발
다중접합태양전지 적용 기대

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 한국에너지기술연구원이 페로브스카이트 태양전지의 효율·안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반 정공수송물질을 개발했다.

이는 태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영역의 태양광을 모두 활용하는 고효율 탠덤 태양전지 구현에 기여할 전망이다.

16일 에너지연에 따르면 자기조립단분자막(Self-Assembled Monolayer)은 주어진 기질의 표면에 자발적으로 입혀진 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막을 말한다.

또, 정공수송물질은 페로브스카이트 태양전지 내에서 정공의 원활한 수송을 도와줄 뿐만 아니라 생성된 전하가 재결합되는 현상을 억제해 소자의 성능향상에 도움을 준다.

최근 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트·실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율 향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다.

하지만 이로 인해 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 가장 큰 난제이며, 효율 저하의 원인으로 지목되고 있다.

이에 에너지연 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.

연구진은 페노티아진 물질을 원료로, 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다.

이 정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막이 형성됐다.

이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.

또, 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어하는 것도 규명했다.

실제, 연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며, 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

특히, 자리조립단분자막 형성은 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트·실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구결과는 에너지 분야 최우수 국제학술지인 ‘Advanced Energy Materials’ 1월 표지논문으로 게재됐다.

km5030@news1.kr

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