한국에너지기술연구원 태양광연구단 홍성준 박사팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막(SAM) 기반의 정공수송물질을 개발했다.
이번에 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
자기조립단분자막(Self-Assembled Monolayer)은 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막이다.
정공수송물질은 페로브스카이트 태양전지에서 정공의 원활한 수송을 도와주고 생성된 전하가 재결합되는 현상을 억제해 소자의 성능을 향상시키는 역할을 한다.
기존 페로브스카이트 구조 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 입사되는 상부층에 정공수송층이 배치되며 이곳에서 입사 빛의 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어진다.
페로브스카이트·실리콘 기반의 이중접합 태양전지는 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅에 어려움이 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 전기·화학적으로 매우 안정되고 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 ‘페노티아진’ 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 상관없이 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.
간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성한 것이다.
정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO(Fluorine doped Tin-Oxide) 투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막을 형성했다.
기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.
또 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에서 발생하는 결함을 제어하고 안정성을 크게 높였다.
연구팀은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정에서도 안정적인 결과를 얻었다.
자리조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트·실리콘 이중접합 태양전지 제조에도 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.
이번 연구는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials IF 29.368’에 지난 1월 표지논문으로 선정됐다.
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