양친성 고분자 계면 상용화제를 적용하지 않은 페로브스카이트 태양전지(왼쪽)와 적용한 태양전지.한국연구재단 제공
차세대 태양전지 소재인 페로브스카이트는 크기가 커질수록 효율이 급격히 감소한다는 단점이 있었다.
이는 페로브스카이트 필름 형성 시 페로브스카이트 전구체 용액이 유기전하수송층 위에 코팅될 때 발생하는 발수현상으로 핀홀(작은 구멍)이 생기기 때문이다.
발수현상은 물질의 표면이 물을 만났을때 젖지않고 물을 튕겨내는 현상이다.
연구팀은 이 발수현상을 해결하기 위해 공액 고분자 전해질을 유기전하수송층 위에 계면 상용화제로 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 필름을 형성했다.
공액 고분자 전해질은 친수성과 소수성 모두를 가져(양친성) 친수성의 페로브스카이트 전구체 용액과 소수성의 유기전하수송층 사이의 발수현상을 해결했다.
그 결과 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성을 획기적으로 증가시켜 넓은 면적에서도 핀홀이 거의 없는 페로브스카이트 박막을 얻을 수 있었다.
연구팀은 이 기술을 적용해 만든 4.6cm×4 cm의 대면적 페로브스카이트 필름을 태양전지 단위 셀 6개를 제작했다.
이 셀들은 평균 16% 이상, 최고 17%의 고효율을 보였다.
이는 연구실 단위 태양전지 효율 검증의 기준으로 적용되는 소면적(0.1 ㎠) 단위소자 효율 19% 대비 90%에 근접하는 성능이며 대면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 성능이다.
이 기술은 대부분의 유기전하수송층 위에서 효과적으로 젖음성을 개선시켜 고품질의 대면적 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있다.
이광희 교수는 “저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 4월10일자에 게재됐다.
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