국내 대학 공동연구진이 첨가제 농도 제어를 통해 차세대 페로브스카이트 태양전지의 전하 손실을 억제하고 광전변환효율과 내구성을 크게 향상시킬 수 있다는 연구결과를 내놨다.
군산대학교는 양정엽·이용제 교수 연구팀이 박주상 한국폴리텍대학 아산캠퍼스 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 결함을 줄이는 최적의 첨가제 공정 전략을 규명했다고 2일 밝혔다.
김미정·김문회 군산대 연구자가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 논문은 국제학술지 '셀 리포트 피지컬 사이언스'(Cell Reports Physical Science) 온라인판에 게재됐다.
페로브스카이트 태양전지는 용액 공정이 간단하고 빛 흡수율이 높아 차세대 전지로 꼽히지만, 내부 결함으로 인한 전하 손실과 고온·고습 환경에서의 낮은 안정성이 상용화의 걸림돌로 지적됐다.
연구팀은 세슘(Cs)·포름아미디늄(FA)·메틸암모늄(MA) 기반 삼중 양이온 페로브스카이트에 유기 첨가제인 페네틸암모늄 아이오다이드(PEAI)를 미량 첨가하고 농도별 특성 변화를 정밀 분석했다.
분석 결과, PEAI를 0.50 wt% 첨가했을 때 기존 3차원 결정구조를 유지하면서도 결함에 의한 비방사성 재결합을 효과적으로 차단했다. 해당 소자는 최고 광전변환효율 20.98%를 기록해 무첨가 소자(18.33%) 대비 2.65%포인트 높은 효율을 나타냈다.
전기적 분석에서도 전하 트랩 밀도는 약 33% 줄어들었고 전하 수명은 94.53나노초(ns)에서 206.46나노초로 2.2배 늘어났다.
내구성 시험에서도 개선 효과가 확인됐다. 봉지 처리한 소자를 85℃, 상대습도 85% 환경에서 1000시간 동안 노출한 결과, 0.50 wt% 첨가 소자는 초기 효율의 57% 수준을 유지한 반면 무첨가 소자는 740시간 만에 초기 효율의 6% 수준으로 급감했다.
이번 연구는 산업통상자원부, 과학기술정보통신부, 교육부·전북특별자치도 ANCHOR 사업 지원을 받아 수행했다.