신소재공학부 정현석, 이재찬,  
에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀,
강산화제 물질을 이용한 고효율 할라이드 페로브스카이트 태양전지모듈 제작 기술 개발
- 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한
고효율, 고안정성 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향 제시 기대

[그림1] 신소재공학부 정현석 교수, 이재찬 교수, 에너지과학과 안태규 교수

신소재공학부 정현석 교수(공동 제1저자 Jun Zhu 박사과정), 이재찬 교수(공동 제1저자 박슬용 석박사통합과정), 에너지과학과 안태규 교수 공동연구팀은 할라이드 페로브스카이트 소재에 강산화제 물질을 도입해 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 높이는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.

할라이드 페로브스카이트는 높은 광흡수율, 광여기된 전자와 정공의 긴 수명 등 태양전지의 소재로서 뛰어난 특성을 보여준다. 최근 이를 활용한 태양전지는 이미 상업화된 태양전지보다 높은 에너지 변환 효율을 보여 차세대 태양전지 소재로 큰 주목을 받고 있다. 

하지만 할라이드 페로브스카이트에 본질적으로 존재하는 할라이드 공공과 같은 결함은 전자의 국부화를 유도해 비방사성 재조합을 유도하는 결함복합체를 형성, 광여기된 전자와 정공의 수명을 급격히 감소시킨다. 이로 인해 할라이드 페로브스카이트의 태양전지 소재로서 뛰어난 특성들이 충분히 활용되지 못했다.

이에 연구진은 강산화제인 이황화 포름아미딘 이온을 첨가하여 페로브스카이트 결함에 국부화된 전자를 제거했다. 이황화 포름아미딘 이온은 강한 산화제로서 다른 물질의 전자들을 빼앗아 산화시키는 성질을 갖고 있으며, 페로브스카이트 내에서도 요오드 공공에 국부화된 전자를 제거했다.

[그림2] 그림 1은 일반적인 포름아미드요오드화납(FAPbI3) 내 요오드 공공에 국부화된 전자가 비방사성 재조합 중심역할을 하는 결함 복합체를 만드는 과정의 개략도이며, 그림 2의 개략도에서 보는 것과 같이 포름아미드요오드화납 내 이황화 포름아미딘은 요오드 공공에 전자가 국부화되는 것을 막아 결함복합체의 생성을 효과적으로 억제한다.

본 연구에서는 이황화 포름아미딘 이온이 페로브스카이트 구조에 안정적으로 통합되며 요오드 공공의 국부화된 전자를 빼앗아 비방사성 재조합 중심이 되는 결함복합체의 형성을 효과적으로 억제하는 것을 제일원리계산을 통해 밝혔으며, 이를 바탕으로 제작된 페로브스카이트 소재에서 광여기된 전자와 정공의 수명이 향상되는 것을 실험적으로 입증했다.

또한 이황화 포름아미딘 이온은 페로브스카이트 소재 합성과정 중 전구체들이 중간상을 형성하도록 유도해 제작된 페로브스카이트의 결정성 및 결정립계의 크기를 개선해 소재의 특성과 안정성을 더욱 향상시키는 것을 확인했다.

[그림3] 그림 3은 이황화 포름아미딘을 첨가한 페로브스카이트를 활용하여 제작한 태양전지 모듈이며, 

그림 4와 같이 대면적의 태양전지 모듈에서 매우 높은 에너지 변환 효율을 보여주고 있다.

연구진은 “이황화 포름아미딘 이온이 첨가된 페로브스카이트를 이용한 태양전지는 단위 셀뿐만 아니라 넓은 면적의 태양전지 모듈에서 20% 이상의 우수한 효율을 나타냈다”며 “본 연구는 향후 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 고효율, 고안정성의 대면적 태양전지 모듈 제작에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다”고 전했다.

본 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부 정보통신기획평가원, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨팅센터의 지원으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 에너지&엔바이론멘탈 사이언스(Energy & Environmental science, IF 38.532)에 7.30(금)에 게재되었다.
    ※ 논문명 : Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules
    ※ Formamidine disulfide oxidant as a localised electron scavenger for >20% perovskite solar cell modules - Energy &Environmental Science (RSC Publishing)