왼쪽부터 이서준 박사과정(제1저자), 강동원 교수

에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀은 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 태양전지와 필적하는 효율과 더불어 저원가 생산 가능성 등의 잠재력 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있으나 대부분의 고성능 페로브스카이트 태양전지는 상용화에 앞서 납(Pb) 독성 및 불안정성 이슈가 상존하고 있으며, 비교적 넓은 밴드갭으로 태양광 스펙트럼 손실을 제한하고 있다. 이러한 이슈로 인하여, 납(Pb)의 일부를 주석(Sn)으로 대체한 Sn-Pb 이중 메탈 조성의 좁은 밴드갭 페로브스카이트 태양전지 연구가 진행되어 왔지만 열과 수분에 취약한 유기 양이온 메틸암모늄과 산성 특성에 의해 안정성에 취약한 PEDOT:PSS 유기 정공수송층을 사용하는 이슈가 있으며 Sn2+의 산화 문제 또한 상존한다.

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 시도하였다. NiOx 기반의 정공수송층 시스템에서 형성된 GeOx가 NiOx의 표면을 페시베이션 해주어 Sn2+의 산화를 발생시키는 Ni3+ 생성을 억제시키는 메커니즘을 최초로 규명하였다.

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%의 세계 최고 수준의 고효율과 4320시간동안 초기 효율 95% 이상을 유지하는 Sn-Pb 페로브스카이트 태양전지들 가운데 가장 뛰어난 안정성을 보여주었다.

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 및 원인을 파악하고 해결하기 위한 후속 연구를 진행하여 친환경, 고효율 태양광 기술 발전에 기여할 것”으로 전했다.

해당 연구성과는 Engineering, Chemical 분야의 Top 1 최상위 국제 저명 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ (Impact Factor= 32.4)에 게재되었으며, (논문명: “Unprecedented Inorganic HTL-based MA-free Sn-Pb Perovskite Photovoltaics with an Efficiency over 23%” DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE03579H) 한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 한우물파기 연구, 한일협력연구사업 국책과제 수행을 통해 도출된 결과이다.