(왼쪽부터) 이서준 박사과정생(제1저자), 강동원 교수

에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀이 차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트를 활용해 세계 최고 수준의 성능과 안정성을 갖는 좁은 밴드갭에너지의 주석-납(Sn-Pb) 기반 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 필적하는 효율을 지닌 데 더해 저원가 생산 가능성 등의 잠재력을 갖춘 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 

문제는 대부분의 고성능 페로브스카이트 태양전지는 상용화에 앞서 납(Pb) 독성과 불안정성 이슈가 있다는 점이다. 비교적 넓은 밴드갭으로 태양광 스펙트럼 손실을 제한하고 있다는 점도 단점으로 손꼽힌다. 

이러한 문제로 인해 납(Pb)의 일부를 주석(Sn)으로 대체한 Sn-Pb 이중 메탈 조성의 좁은 밴드갭 페로브스카이트 태양전지 연구가 진행돼 왔다. 하지만, 열과 수분에 취약한 유기 양이온 메틸암모늄과 산성 특성에 의해 안정성에 취약한 PEDOT:PSS 유기 정공수송층을 사용한다는 점이 문제로 지적됐으며, Sn2+의 산화 문제도 존재했다. 

강동원 교수 연구팀은 PEDOT:PSS 유기 정공수송층을 NiOx 기반의 무기 정공수송층으로 대체하고, 메틸암모늄 양이온을 제거한 BA0.02(FA0.83Cs0.17)0.98Sn0.5Pb0.5I3 조성 기반의 Sn-Pb 페로브스카이트에 금속 할라이드 첨가제인 GeI2를 첨가하는 전략을 시도했다. 그 결과 NiOx 기반의 정공수송층 시스템에서 형성된 GeOx가 NiOx의 표면을 페시베이션 해줘 Sn2+의 산화를 발생시키는 Ni3+생성을 억제하는 메커니즘을 규명하는 데 성공했다. 

개발된 MA-free 페로브스카이트 태양전지의 최고 성능 및 장기안정성

주목할 부분은 개발한 NiOx 무기 정공수송층 기반의 메틸암모늄이 제거된 Sn-Pb 페로브스카이트 태양전지가 현재까지 보고된 PEDOT:PSS 이외의 정공수송층을 이용한 메틸암모늄이 제거된 Sn-Pb 페로브스카이트 태양전지들 가운데 세계 최고 성능과 안정성을 보여주는 결과물이라는 점이다. 

GeI2가 도입된 메틸암모늄이 제거된 Sn-Pb 페로브스카이트 태양전지는 23.34%라는 세계 최고 수준의 고효율을 자랑했으며, 4320시간동안 초기 효율 95% 이상을 유지하는 Sn-Pb 페로브스카이트 태양전지들 가운데 가장 뛰어난 안정성도 보여줬다.

한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 한우물파기 연구, 한일협력연구사업 국책과제 수행을 통해 도출해 낸 이번 연구성과는 Engineering, Chemical 분야 Top 1 최상위 국제 저명 학술지 ‘Energy & Environmental Science’(Impact Factor=32.4)에 게재됐다. ‘Unprecedented Inorganic HTL-based MA-free Sn-Pb Perovskite Photovoltaics with an Efficiency over 23%’ 논문을 통해 상세 내용을 확인할 수 있다. 

강 교수 연구팀은 “아직까지 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지는 납 기반 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 성능과 안정성을 보이고 있다. 주석-납 기반의 페로브스카이트 태양전지에서 발생하는 근본적인 문제 원인을 파악하고, 해결하기 위한 후속 연구를 진행해 친환경, 고효율 태양광 기술 발전에 기여할 것”이라고 말했다.