[POSTECH · 성균관대 · 충남대, 페로브스카이트 태양전지 효율성과 안정성 향상 ]

친한 관계에서도 적당한 거리가 중요하다. 친밀한 관계가 모든 것을 해결하지는 못하며, 개인적인 공간과 독립성이 필요할 때가 있다. 이는 화학의 세계에서도 마찬가지다. POSTECH · 성균관대 · 충남대 연구팀은 양쪽성 이온(Zwitterion) 분자 간 친밀도를 낮춰 태양전지 연구에서 큰 성과를 냈다.

화학공학과 박태호 교수 · 통합과정 김한결 · 최경원 동문 연구팀은 성균관대 신소재공학과 정현석 교수 · 윤건우 씨, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수팀과의 연구를 통해 페로브스카이트(Perovskite)^*1를 기반으로 한 태양전지의 효율성과 안정성을 높였다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 최근 게재됐다.

태양전지는 태양 에너지를 전기로 변환하는 소자로 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트를 활성층으로 사용하는 전지다. 이 전지는 제작 공정이 간단하고, 비용도 저렴할 뿐 아니라 기존 실리콘 태양전지에 비해 가볍고, 유연성도 우수해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만, 페로브스카이트와 전자수송층^*2 사이 계면의 결함으로 인해 효율과 안전성, 내구성이 저하되는 문제가 있었다.

이를 해결하는 한 가지 방법은 페로브스카이트를 보호할 필름을 만드는 것이다. 필름을 만들 때 양쪽성 이온을 주로 사용하는데, 이 이온은 양전하와 음전하를 모두 갖고 있어 페로브스카이트 결정과의 결합력이 우수하다. 하지만, 이온 분자 간 정전기적 인력이 매우 강해 유기 용매에 잘 녹지 않아 균일한 두께로 필름을 만들기 어려웠으며, 고성능이나 대면적 필름 제작에도 한계가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 LiTFSI^*3라는 첨가제를 넣어 기존과 다른, 액체 형태의 양쪽성 이온(Liquid-type zwitterion, 이하 LTZ)을 만들었다. 이 첨가제를 양쪽성 이온에 넣으면 하드 소프트 산-염기 이론(Hard Soft Acid Base theory)^*4에 따라 양쪽성 이온 분자 간 상호작용이 감소한다는 점에 주목한 것이다.

LTZ로 실험한 결과, 이온 분자 간 응집이 효과적으로 억제되어 이온 용해도가 증가했고, 연구팀은 균일한 두께로 필름을 합성하는 데 성공했다. 또, 이 LTZ는 태양전지 내에 존재하는 결함과 강하게 결합하여 소자의 전기적 성능도 높였다. LTZ를 사용한 연구팀의 전지는 단일면적에서 24.9%의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 1,968시간 동안 60도 환경에서 초기 전력 변환 효율의 80% 이상을 유지했다. 대면적(32.7cm2) 전지 모듈에서도 19.9%라는 높은 효율을 기록했다.

박태호 교수는 “LTZ를 기반으로 한 연구팀의 인터페이스 엔지니어링 기술로 페로브스카이트 태양전지의 효율성과 안전성을 높이는 데 성공했다”라며 이번 연구의 의의를 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 단계도약형 탄소중립 기술개발사업, 탄소제로 그린 암모니아 사이클링 연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401263

1. 페로브스카이트(Perovskite)
러시아 광물학자 페로브스키(L.A.Perovski)가 최초로 발견한 광물로, ABX3 화학식으로 표현되는 모든 화합물을 일컫는다.

2. 전자수송층(Electron transporting layer)
페로브스카이트에서 생성된 전자를 전극으로 이동시키는데 필요한 구성층이다.

3. LiTFSI
Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide

4. 하드 소프트 산-염기 이론(Hard Soft Acid Base theory)
각 화합물을 하드와 소프트로 분류해 분류가 같은 물질끼리 더 강한 결합을 형성한다는 이론이다.