양극성 고분자로 성능과 안정성 강화…“페로브스카이트 태양전지 상용화 기대”

DGIST 에너지공학과 최종민 교수팀, KAIST와 공동 연구

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지에 양극성 고분자를 도입해 성능과 안정성을 강화했다. 유기 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)는 태양전지에 사용되는 재료로, 태양 빛을 전기로 변환하는 역할을 한다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 김범준 생명화학공학 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지에 양극성 고분자를 도입해 성능과 안정성을 강화하는 전략을 제시했다고 27일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 지난 9월 1일 표지 논문으로 게재됐다.

(왼쪽부터) 최종민 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수, 김수관 석박사통합과정생. /DGIST 제공.

태양 빛을 전기로 바꾸는 역할을 하는 페로브스카이트는 우수한 광전기적 특성이 있고 공정 비용이 저렴해 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 하지만 결함으로 인한 성능 저하와 낮은 안정성으로 상용화가 어렵다는 단점이 있다.

특히 대기 중의 산소와 수분은 결함을 악화해 성능 저하를 가속했다. 그래서 효율성과 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 구현을 위해서는 결함을 복원하는 과정이 필요하다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 세계 최초로 양극성 고분자를 도입했다. 기존의 고분자(p-type, n-type)는 페로브스카이트 결함은 복원하지만 반대전하의 이동을 방해하는 문제가 있었다.

연구팀의 양극성고분자는 페로브스카이트의 결함을 복원함과 동시에 모든 전하(전자, 정공)의 이동을 개선해 기존의 단점을 해결했다. 또한 연구팀은 페로브스카이트의 제한된 복원 공정을 해결할 수 있는 추가적인 복원 공정도 제시했다. 기존 연구에서는 완전한 복원과 최적의 효율이 양립할 수 없었다.

연구를 진행한 최종민 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트의 양방향성 특성을 극대화하기 위한 최초의 양극성 고분자를 도입했다는 것에 의미가 있다”면서 “이번 연구를 통해 양극성 고분자 패시베이션이 페로브스카이트의 양방향성 전하 이동을 극대화해 획기적으로 성능을 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

이어 최 교수는 “일반적인 대기조건뿐만 아니라 고온 고습 환경(85℃, 상대습도 85%)에서도 장시간 정상 작동을 입증한다면 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

참고 자료

Advanced Energy Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202301927

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