실리콘 태양전지보다 만들기 간편하고 저렴한 '페로브스카이트 태양전지'의 효율은 광활성층 물질이 결정하며, 이 광활성층인 페로브스카이트는 ABX3(A:1가 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온)화학식을 갖는 인위적으로 합성된 물질이다.
차세대 '탠덤 태양전지'의 효율과 안정성을 획기적으로 높일 수 있게 돼 관심을 모으고 있다.
한국에너지기술연구원은 고효율 탠덤 태양전지 구현에 필요한 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질을 개발했다.
연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 전기화학적으로 매우 안정하며 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.
연구진은 페노티아진 물질을 원료로 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다. 이 정공수송물질을 표면 거칠기가 매우 큰 FTO(Fluorine doped Tin-Oxide) 투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막이 형성됐다. 이렇게 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.
또한 페노티아진 물질 내 존재하는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함을 제어할 뿐 아니라 광흡수층과 우수한 에너지 레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성을 크게 향상시키는 것을 확인했다.
연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상의 고효율을 달성했으며 100시간 동안 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.
특히, 자리조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트·실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.
홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
특히 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 분야 최우수 국제학술지인 'Advanced Energy Materials(IF 29.368)'紙의 1월 표지논문(Front cover)에 선정됐다.
한편 '페로브스카이트 기반 탠덤태양전지 연구 동향' 에 의하면 페로브스카이트(perovskite) 태양전지는 지난 5년간 광전변환효율이 약 10%에서 22%로 증가하는 급속한 발전으로 주목 받고 있으며, 현재 대면적 공정개발 및 안정성 향상 등의 상용화 기반기술에 대한 연구개발 역시 활발히 진행되고 있다.
페로브스카이트는 실리콘 태양전지(1.1eV), CIGS 태양전지(1.1~1.2 eV)와 비교하여 상대적으로 높은 밴드갭에너지(>1.5eV)를 가지고, 할라이드 물질 조성 제어를 통해 쉽게 밴드갭에너지를 조절할 수 있으며, 저온 용액 공정이 가능한 특성에 기인하여 페로브스카이트 태양전지를 상부셀로 이용한 탠덤 태양전지에 대한 다양한 시도가 이루어 지고 있다.
페로브스카이트의 흡광계수, 반사율 등 광학적 특성에서 기인하는 요소들을 고려하면 직렬 형태의 이중접합에서 최대 32%의 광전변환효율 얻을 수 있을 것으로 예측된다.