페로브스카이트태양전지 안정성 높였다

지스트, 초박막 전해질층으로 박막결함 제거 - 고효율 태양전지 구현

지스트(총장 김기선)는 장시간 열과 빛, 공기 등 외부 환경에 노출되어도 안정성을 유지하는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 28일 밝혔다. 

지스트 김희주 에너지 융합대학원 교수와 이광희 신소재공학부 교수 공동연구팀은 서홍석 부산대 화학과 교수 연구팀과 함께 페로브스카이트 내부의 이온결함을 흡수하는 초박막 전해질층을 도입해 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 

페로브스카이트 태양전지는 흡광도가 높고 넓은 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 유기물과 금속 혼합체 기반의 페로브스카이트 결정으로 만든 차세대 태양전지다. 

박막형 태양전지 중 에너지 전환효율이 가장 높은 것으로 알려졌다. 하지만 페로브스카이트 박막에 있는 이온 결함들이 열이나 빛, 공기에 노출되면 이온 결함이 상부로 이동하며 상부전극을 부하시켜 성능을 떨어뜨린다. 이는 페로브스카이트 방식 태양전지의 안정성을 낮춰 상용화 걸림돌이 되고 있다. 

연구팀은 열적 안정성이 높은 카바졸 분자에 이온 결함과 반응성이 높은 아민 작용기가 도입된 새로운 고분자 전해질을 개발, 이를 페로브스카이트 상부 전극과 페로브스카이트 박막사이에 초박막으로 도입했다.

이 고분자 전해질 층은 페로브스카이트 박막 표면 및 내부의 이온결함을 효과적으로 흡착하면서도 상부전극과 페로브스카이트 층 사이의 전하이동을 향상시키는 높은 전기적 특성을 보였다. 85도의 열에 1000시간 동안 노출하거나 350시간 동안 빛에 노출하는 겨우, 공기 중에 1500시간 이상 노출하는 경우 등의 상황에서도 성능을 유지했다. 

고분자 전해질층 (CzNBr)이 도입된 페로브스카이트 태양전지 구조(a), 주사전자현미경으로 측정된 태양전지단면(b), 고분자 전해질의 화학구조(c) (자료=지스트)

김희주 교수는 "단 한층의 용액공정이 가능한 유기 전해질을 페로브스카이트 태양전지에 도입하여 손쉽게 페로브스카이트 태양전지의 열, 빛 및 공기 안정성을 획기적으로 향상시켰다"라며 "향후 다양한 외부 환경에서도 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 개발에 응용될 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 지스트 GIST 연구원(GRI), 한국연구재단이 지원하는 미래수소원천기술개발사업, 글로벌 연구실 사업 등의 지원을 받아 수행되었으며, 학술지 ‘저널 오브 머티리얼 케미스트리A (Journal of Materials Chemistry A)'에 게재됐다.