성균관대학교 에너지과학과 (DOES) 석박통합과정 서성록 연구원과 신현정 교수 연구팀 그리고 박남규 교수는 공동으로 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다고 밝혔다. 페로브스카이트는 결정구조의 이름이며 최근의 차세대 태양전지로서의 유-무기 할라이드 원소를 사용한 특별한 조성의 물질군을 일컫는다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간 동안 광변환 효율 22%를 넘는 고 효율 보이는 광흡수층으로 전세계적으로 많은 연구자들에게 커다란 관심의 대상이다. 특히 작년에 박남규 교수는 해당 물질의 태양전지 연구의 선구자적인 업적을 인정받아 노벨 화학상 후보로 거론되기도 하였다. 이 소재는 매우 우수한 광전 특성을 가지며 동시에 저비용의 장점이 있으나 수분, 열, 빛, 그리고 전기장 등에 취약하여 짧은 소자 수명이 산업화의 걸림돌로 지적되었다. 

본 연구에서 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조는 역전형 (inverted type) p-i-n 구조로 되어있으며 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 또 다른 물질들인 전하수송층을 무기계 소재로 구성함으로써 매우 안정한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 전하수송층들은 모두 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 증착되었으며, 박막의 핀홀이 없이 균일하고 밀도 높은 막질을 형성하였다. 특히 무기계 전자수송층으로 Al이 도핑된 ZnO를(AZO) 채택하였고, 이 소재는 매우 우수한 전자수송 특성뿐만 아니라 아래에 있는 페로브스카이트 층을 보호하는 역할을 하였다. ALD - AZO는 외부 수분 및 산소의 페로브스카이트 층으로의 침투와 페로브스카이트의 휘발성 구성원의 증발을 방지함으로써 안정성을 향상 시킬 수 있음이 밝혀졌다. 특히 완성된 소자의 표면에서 진행되는 기존의 봉지기술과 차별화되는 특성으로, 전극/페로브스카이트의 사이에 존재하는 ALD - AZO 층은 전극/페로브스카이트 간의 상호확산 (interdiffusion)을 차단함으로써 태양전지의 작동환경 안정성을 획기적으로 개선하였다.

본 공동 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가에서 ADL-AZO 박막을 채택하지 않은 소자들은 빛을 조사하였을 경우 매우 빠른 속도로 소자의 열화가 진행되는 반면 ALD – AZO 박막을 채택한 소자는 500 시간 동안 초기 효율의 99.5 %의 특성을 유지하였음을 확인하였다. 이처럼 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지는 초기효율 18.45 %에서 시작하여, 고온 (85 oC) 및 대기환경 (ambient air)분위기, 모의 태양빛 (1-sun) 조사라는 극한 환경에서 500 시간 동안 86.7 %의 효율을 유지할 수 있어 페로브스카이트 태양전지의 산업화 가능성을 크게 높였다. 

에너지과학과 신현정교수와 서성록 연구원, 화학공학과 박남규 교수가 수행한 본 연구는 한국연구재단 및 글로벌프론티어사업 (단장: 최만수 교수)의 지원으로 진행되었으며, 재료과학 (material science)분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 19.791)에 5월 23일자 온라인판에 게재되었다.