고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지 위한 첨가제 개발

포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 박태호 화학공학과 교수·통합과정 김도현·최현태·정우택 씨 연구팀이 전남중 한국화학연구원 박사, 송슬기 충남대 응용화학공학과 교수와 공동으로 페로브스카이트 필름 처리를 위한 새로운 첨가제를 개발, 에너지 전환 효율이 높으면서도 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는데 성공했다고 10일 밝혔다.

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페로브스카이트 태양전지(PSC)는 가공이 쉽고, 공정비용이 저렴해 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 수분에 약하고, 페로브스카이트 표면에 있는 결함이 전력 변환 효율을 떨어뜨린다. PSC의 안정성과 효율성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 필름 표면에 생기는 결함을 제거해야 한다. 지금은 첨가제를 용매에 녹여 페로브스카이트 필름 표면에 도포하는 방식으로 처리하는데, 용매가 쉽게 증발해 첨가제가 고체로 변하기 때문에 필름 표면의 결함을 제대로 제거할 수 없었다.

연구팀은 '알킬암모늄 포르메이트(AAFos)'라는 첨가제를 새롭게 합성해 표면 처리 과정에 사용했다. 'AAFos'는 'AAFos' 내 양이온과 유사 할로겐화물 음이온 사이의 결합이 약해 상대적으로 낮은 온도에서 액체로 존재할 수 있다.

연구팀은 이 첨가제의 '고체-액체 상변화'에 주목했다. 'AAFos'는 용매 사용 여부와 상관없이 짧은 열처리 과정을 통해 고체에서 액체로 변화해 필름 표면의 결함을 제거하고, 이후 상온에서 다시 고체로 변한다. 또 'AAFos'의 유사 할로겐화물 음이온은 할로겐 결함과의 친화력이 높아 표면에 있는 결함을 효과적으로 처리할 수 있다. 양이온의 긴 알킬 사슬은 페로브스카이트 층으로의 수분 침투를 막아 수분 안정성을 향상시킬 수 있다.

연구팀은 또 'AAFos'를 사용하면 PSC의 전력 변환 효율이 상승한다는 것도 실험을 통해 확인했다. PSC 단일면적에서 약 25%의 높은 전력 변환 효율을 보였다. 동일 소자에서 세계 최고의 충진율인 80.77%를 달성했다. 면적이 넓은 PSC 모듈에서 20.82%의 효율을 기록했는데, 면적이 클수록 효율과 충진율이 낮아지는 기존 태양 전지의 한계를 극복한 것이다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구는 최근 에너지, 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 '에너지 및 환경과학'에 게재됐다.

포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com