계면 상용화제를 쓴(사진 a. 오른쪽) 페로브스카이트 필름은 결함이 없고 균일한 표면을 보여준다. 기술을 기반으로 18.4 cm2의 페로브스카이트 필름을 형성하고 6개의 태양전지를 제작하여 측정한 결과 최고 17% 성능을 보임을 확인했다. /사진제공=미래창조과학부페로브스카이트는 ABX3 (A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 결정구조를 갖는 신소재다. 페로브스카이트로 만든 태양전지는 쉽게 제작할 수 있으면서도 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점 때문에 전 세계에서 연구개발이 활발하다. 태양광 에너지를 많이 얻기 위해서는 태양전지를 크게 만들어야 하는데, 페로브스카이트 태양전지는 크기가 커질수록 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있었다.
이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀이 기존 1㎠ 의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는데 성공했다.
페로브스카이트 필름 형성 과정에서 곳곳에 핀홀 등 결함이 생기기 때문에 대면적 페로브스카이트의 효율이 급감한다. 페로브스카이트 전구체 용액이 코팅될 때 발생하는 발수 현상에 의해 표면에 군데군데 빈공간이 생기기 때문이다.
연구팀은 발수 현상을 해결하기 위해 공액 고분자 전해질을 유기전하수송층 위에 계면 상용화제로 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 필름을 형성하였다. 공액 고분자 전해질은 친수성의 페로브스카이트 전구체 용액과 소수성의 유기전하수송층 사이의 발수 현상을 해결한다. 그 결과 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성을 획기적으로 증가시켜 넓은 면적에서도 고품질의 페로브스카이트 박막을 얻을 수 있었다.
연구진은 18.4㎠(4.6cm×4 cm)의 대면적 페로브스카이트 필름을 제작하고 그것을 기반으로 1㎠ 면적의 페로브스카이트 태양전지 단위 셀 6개를 제작했다. 모든 단위 셀들은 평균 16% 이상, 최고 17%의 고효율을 보였다. 이는 대면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 성능이다.
이광희 교수는“저비용 용액 공정을 통해 큰 면적의 태양전지의 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양 전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다”면서 “페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.
이광희 광주과학기술원 교수./사진=미래창조과학부
강홍규 광주과학기술원 연구교수/사진=미래창조과학부
이진호 광주과학기술원 연구원./사진=미래창조과학부
