효율·안정성을 확 올린 차세대 ‘탠덤 태양전지’를 소개한 논문 표지.국내 연구팀이 고효율 탠덤 태양전지 구현에 필요한 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질을 개발했다. 탠덤 태양전지는 빛의 이용률을 높이기 위해 2개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 적층한 기술이다.
한국에너지기술연구원은 홍성준 박사 연구팀이 박영석 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수팀과 함께 결정질이나 CIGS 태양전지의 상부에 단파장 빛 흡수에 적합한 페로브스카이트를 결합해 발전 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
현재 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트·실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율 향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다. 하지만 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 가장 큰 난제이며 효율 저하의 원인으로 지목되고 있다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정하며 염료와 의약물질로 많이 활용되는 페노티아진 물질로 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.
연구팀은 페노티아진 물질을 원료로 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다. 이 정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO 투명 전도성 기판에 간단한 스핀 공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막이 형성됐다. 이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다. 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어하는 것을 확인했다. 광흡수층과 우수한 에너지 레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성도 크게 향상됐다.
페로브스카이트 태양전지의 디바이스와 페노티아진 기반의 자기조립단분자막, 페로브스카이트 광흡수층 계면에서의 화학적 결합 모식도와 최고 효율 디바이스의 전류·전압 곡선.연구팀은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반은 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다. 더욱이 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑 공정이 필요하지 않는 특징이 있다. 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트·실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
홍 박사는 “개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것”이라고 기대했다.
