낮에는 태양전지, 밤에는 LED 된다…무결점 소재 개발

국내 연구진이 무결점 전자수송층을 개발하고 고효율·고발광 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 하나의 소자에서 태양전지와 발광 소자 기능을 동시에 구현하는 데 성공했다. 고효율·저비용 공정도 함께 제시했다. 연구 결과는 차세대 광전소자 상용화 가능성을 높이는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 신성식 성균관대 교수 연구팀이 석상일 울산과학기술원(UNIST) 교수, 한국화학연구원과 공동 연구를 통해 ‘과량의 리간드 기반 화학용액증착(CBD) 공정을 고안하고 '결함이 억제된 무결점 산화주석(SnO2) 전자수송층'을 개발했다고 25일 밝혔다. 연구팀은 개발된 전자수송층을 활용해 고효율·고발광 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다.

차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트는 광전변환 효율이 좋고 제조 비용이 저렴하다. 고성능 태양전지 개발을 위해 사용되는 SnO2 소재의 결함으로 효율과 장기적인 안정성이 떨어진다는 문제가 있다.

기존 CBD 공정은 주석(Sn)과 리간드의 강한 결합으로 균일한 SnO2 박막을 얻기 어렵고 공정 시간이 매우 길다는 게 단점이다. 리간드는 배위화합물에서 중심 금속이온에 결합된 원자나 분자다.

연구팀은 CBD 공정에서 '과량의 리간드 전략'을 도입했다. 과량의 리간드 전략은 SnO2 박막이 형성될 때 Sn 이온과 리간드의 결합을 제어해 Sn 이온의 완전 산화와 기판에 균일한 증착을 유도하는 전략이다. 불균일한 박막 형성 억제가 가능하다. 결함이 적은 고품질의 SnO2 전자수송층을 형성할 수 있다.

과량의 리간드 전략을 통해 SnO2 전자수송층 내 결함을 획기적으로 줄여 표면재결합 속도를 가장 낮은 수치인 초당 5.5센티미터(cm)까지 낮추는 데 성공했다. 박막의 결함이 상당이 억제됐음을 의미하는 수치다.

과량의 리간드 전략을 적용한 전자수송층은 페로브스카이트 태양전지에서 '두 기능'의 효율을 높였다. 하나의 소자에서 태양전지 효율 26.4%, 발광 다이오드(LED) 효율 24.8%의 성과를 달성했다. 저온·용액 기반 공정 프로세스로 고가 장비 없이도 증착 효율을 크게 증가시켜 공정 시간또한 획기적으로 단축했다. 

신성식 교수는 "공정 시간은 줄이면서도 산화물 소재의 고질적 결함을 잡아 고성능 태양전지와 LED를 동시에 구현할 수 있는 길을 열었다”며 "제조 비용을 낮추면서도 성능은 높이는 ‘꿈의 광전소자 상용화’를 현실로 만드는 디딤돌이 될 것”이라고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 에너지’에 4일 온라인 게재됐으며 이후 표지논문에 선정됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41560-025-01781-1

[박정연 기자 hesse@donga.com]