고려대, 메조다공성 구조의 이황화몰리브덴으로 

신개념 태양전지 개발 

 ▲ 메조다공성 구조의 MoS2를 전자 수송층으로 활용한 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지에 대한 모식도

고려대학교 (총장 김동원)가 메조다공성(Mesoporous) 구조의 이황화몰리브덴(MoS2)을 전자 수송층으로 활용해 신개념 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 

본 연구 성과는 나노과학 분야의 세계적인 학술지 ‘Nature Nanotechnology (Impact Factor: 38.3, JCR 분야 상위 1.4%)’에 10월 7일 게재됐다.

* 논문명 : Mesoporous structured MoS2 as an electron transport layer for efficient and stable perovskite solar cells

*논문 URL: https://www.nature.com/articles/s41565-024-01799-8

차세대 태양전지의 주요 소재로 손꼽히는 페로브스카이트는 우수한 광 흡수 능력과 전하 이동속도를 갖고 있다. 그러나 기존 페로브스카이트에 사용되는 이산화티타늄(TiO2) 전자 수송층은 500°C 이상의 고온 소결(sintering) 공정이 필요하고, 빛에 노출되면 광촉매 반응으로 인한 성능 저하가 일어나는 한계를 갖고 있다. 

박혜성 교수 연구팀은 기존 이산화티타늄을 대체할 수 있는 전자 수송층 소재로 메조다공성 구조의 이황화몰리브덴을 도입했다. 이황화몰리브덴은 기존 이산화티타늄보다 비교적 저온(100 °C)에서 공정이 가능하다. 또한 페로브스카이트 구조와 격자 간의 간격의 유사성을 지니고 있어 페로브스카이트 결정 성장과 전지의 장기 안전성 향상에 기여한다. 

*메조다공성: 기공이 미세다공성 물질보다는 크고 매크로다공성 물질보다는 작은 구조 

본 연구를 통해 개발된 메조다공성 구조의 이황화몰리브덴 페로브스카이트 태양전지는 소면적 소자(0.08cm²)에서 25.7%의 전력 변환 효율(인증 효율: 25.4%)을, 대면적 소자(1.00cm²)에서 22.4%의 효율을 달성했으며, 2,000시간 이상의 지속적인 광조사 하에서도 초기 성능의 90%를 유지하는 등 성능 및 안정성 측면에서 기존 대비 우수한 성능이 입증됐다. 

연구를 주도한 KU-KIST 융합대학원 박혜성 교수는 “이번 연구는 메조다공성 이황화몰리브덴을 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송층으로 적용함으로써 태양전지의 효율과 안정성을 크게 높인 사례다”라고 말하며 “기존 전자 수송층의 한계를 극복할 수 있는 중요한 돌파구를 제공할 것으로 기대된다” 고 밝혔다. 

본 연구는 산업통상자원부 에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 개인기초연구 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.

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[그림 1] 

[그림 1] 설명: (왼쪽부터) 박혜성 교수, 최윤성 박사(공동 제1저자), 구동환 박사(공동 제1저자) 

[그림 2] 

[그림 2] 설명: 메조다공성 구조 MoS2에 의한 페로브스카이트 박막의 뒤틀림 완화 효과(좌상)와 이에 기반한 태양전지의 전류-전압 곡선(우상) 및 광안정성(하)