성균나노과학기술원 (SAINT) 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 내 이종 접합 계면 에너지밴드구조 제어를 통해 태양전지의 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심 기술 개발에 성공하였다. 관련 연구 논문이 세계적인 학술지 Nature지에 3월 15일 온라인 게재되었다.

페로브스카이트 태양전지는 25% 이상의 의 높은 에너지변환효율을 가지면서 저가 용액 공정으로 생산 가능하여 다가오는 탄소중립 시대를 위한 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 국내외 학계와 산업계에서는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위한 연구과제 중 하나인 구동 수명 개선을 위한 연구에 박차를 가하고 있다.

고효율 장수명 페로브스카이트 태양전지 제작을 위해서는 페로브스카이트 박막 내부와 표면에 존재하는 결정 결함의 농도를 최소화하는 것이 필수적이다. 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에 알킬 암모늄 할라이드 표면 결함 치료 층을 도입하는 기술은 에너지변환효율 향상에 기여하는 것으로 알려져 있으나, 페로브스카이트 박막과 전하전달 층 계면에서의 에너지밴드구조를 왜곡시켜 빛에 의해 생성된 전하의 흐름을 방해하여 계면에서의 전하 축적을 유도하고, 태양전지의 수명을 저하시킬 수 있다.

앞선 연구들에서는 태양전지 효율 개선을 위해 사용된 표면 치료 층의 효율 향상 효과에만 주목을 하였으며, 동반하는 계면 에너지밴드구조에 의해 발생할 수 있는 부작용에 대한 연구는 미흡하였다.

이진욱 교수 연구팀은 기존에 널리 사용되는 페로브스카이트 박막 결함치료 소재가 태양전지 소자 내 계면 에너지 밴드구조를 왜곡시키고, 빛에 의해 생성된 전하 수집을 방해하여 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저해하는 사실을 밝혀냈다.

나아가 기존 표면 결함 소재에 의해 발생하는 페로브스카이트 태양전지 수명 저하 부작용을 없애고, 태양전지의 효율과 수명을 동시에 극대화할 수 있는 새로운 표면 결함치료 기술을 개발하였다. 실제 본 연구를 통해 개발된 표면 결함치료 층이 도입된 페로브스카이트 태양전지는 세계 최고 수준의 효율과 수명을 달성하였다.

이진욱 교수팀의 연구는 페로브스카이트 박막의 일함수 변화 및 이에 따른 이종 접합에서의 에너지밴드 구조 변화에 대한 근본적인 이해를 발전시켰으며, 페로브스카이트 태양전지의 수명 문제 해결을 위한 중요한 단서를 제공하여 향후 상용화를 위한 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.

앞서 이진욱 교수는 페로브스카이트 소재 내 ‘A’양이온에 대한 리뷰 논문을 세계적인 학술지 Science지에 게재하였으며, 클레리베이트 애널리틱스에서 논문 인용지수를 바탕으로 선정하는 세계에서 가장 영향력 있는 연구자 1% (HCR 2021 in the field of cross-field)에 선정된 바 있다.

※ 관련 논문 및 홈페이지

1) Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics, Nature, 2022, doi.org/10.1038/s41586-022-04604-5. (교신저자-이진욱, 공동저자 박건우 석박통합과정생)

2) Rethinking the A cation in halide perovskites, Science, 2022, 375,835. (제 1저자-이진욱 교수)

3) 이진욱 교수 연구실 홈페이지: https://jwlee870217.wixsite.com/mysite

그림 1. 표면 결함 치료 이온에 의한 페로브스카이트 박막 표면에서의 전하 재배치

그림 2. 기존 결함 치료 기술과 본연구에서 개발된 표면 결함 치료 기술을 활용한 태양전지 수명