(왼쪽부터) Padmini Pandey 박사(제1저자), 조성원 박사과정(공동1저자), 강동원 교수

에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀이 차세대 태양전지 소재로 주목받는 페로브스카이트를 활용해 세계 최고 수준의 성능과 안정성을 갖는 ‘넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지’를 개발하는 데 성공했다. 

2009년 처음 등장한 페로브스카이트 태양전지는 이후 전력 변환 효율 향상에서 큰 발전을 이뤘다. 문제는 대다수 고성능 페로브스카이트 태양전지에 납(Pb) 독성과 불안정성 이슈가 있어 상용화가 쉽지 않았다는 점이다. 단일 태양전지의 스펙트럼 손실은 성능 제한으로 이어졌다. 

강동원 교수 연구팀은 환경 친화적인 다중 접합 비납 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해 넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 주석 전구체의 낮은 용해도와 산성 특성, Sn2+의 산화, 빠른 결정성 등의 문제를 해결하기 위해 4-Phenylthiosemicarbazide (4PTSC) 첨가제를 페로브스카이트 전구체에 도입하는 전략을 시도해 얻은 성과다. 

신규 개발한 태양전지 첨가제 메커니즘과 태양전지의 성능 및 안정성

4PTSC 첨가제 도입은 페로브스카이트 전구체 용액의 안정성을 높였고, 결정 성장의 역학을 효과적으로 조절했다. 이를 통해 박막 내 결함을 완화하는데 유리하다는 점이 입증됐다. 새롭게 개발한 넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지의 성능·안정성이 개선되는 결과로 이어졌음은 물론이다. 

주목할 부분은 강 교수팀이 개발한 넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지가 현재까지 보고된 넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지들 가운데 세계 최고 성능과 안정성을 보여준다는 점이다. 4PTSC가 도입된 넓은 밴드갭 비납 페로브스카이트 태양전지는 12.22%의 고효율과 캡슐화 없이 주변 공기 조건에서 1200시간 이상의 뛰어난 안정성을 보여줬다.

이번 연구성과는 한국연구재단의 한우물파기 연구, 기초연구실지원사업, 에너지기술평가원 국책과제 수행을 통해 도출된 결과물이다. 한층 상세한 연구성과 내용은 피인용도(IF, Impact Facotr) 27.8을 기록한 에너지 소재 분야 국제저명학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 10일자로 게재된 ‘4-Phenylthiosemicarbazide Molecular Additive Engineering for Wide-bandgap Sn Halide Perovskite Solar Cells with a Record Efficiency Over 12.2%(https://doi.org/10.1002/aenm.202401188)’ 논문을 통해 확인할 수 있다. 

강 교수 연구팀은 “신규 개발한 태양전지가 아직까지는 납 기반 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 성능과 안정성을 보이고 있다. 주석이 납을 대체할 경우 발생하는 근본적인 문제와 원인을 파악하고 해결하기 위한 후속 연구를 계속 진행해 친환경 태양전지 기술 발전에 기여할 것”이라고 전했다.