고려대, 차세대 태양전지 상용화의 길...진공 증착에서 찾았다

정공수송층 구조 최적화로 고효율·대면적·내구성 모두 확보

△ 전 공정 진공 증착 페로브스카이트 태양전지 모식도(좌) 및 정공수송층 계면 손실 최소화 전략(우)

고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원(겸 융합에너지공학과) 박혜성 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 양창덕 교수 연구팀과 함께, 페로브스카이트 태양전지에서 발생하는 계면 손실을 줄이고 대면적 확장성을 높이는 핵심 기술을 개발했다.

*페로브스카이트 태양전지: 특수 결정구조를 가진 소재로 만들어진 태양전지

본 연구 성과는 에너지 및 연료 분야의 세계적인 학술지 ‘Advanced Energy Materials (IF=24.4, JCR 분야 상위 2.6%)’ 온라인에 지난 2월 5일 게재됐다.

*논문명: Scalable All-Vacuum-Processed Perovskite Solar Cells Enabled by Low Energy-Disorder Hole-Transport Layer

*DOI: 10.1002/aenm.202404797

*URL: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404797

페로브스카이트 태양전지는 뛰어난 광 흡수율과 전하 이동 특성을 가져 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히, 진공 증착 방식은 정밀한 공정과 넓은 면적 구현에 유리해 상용화에 적합하지만, 고효율을 위해서는 계면 정렬과 전하 추출 경로 등 소재와 계면의 정교한 최적화가 필요하다.

이에 연구팀은 단일 구조의 올리고머 기반 소재인 트라이아릴아민 테트라머(TAA-tetramer)를 합성해 진공 증착 방식의 정공수송층에 적용했다. 이를 통해 분자 간 정렬을 유도하여 전하 이동 경로의 에너지 장벽을 낮췄고, 그 결과 준페르미 준위 분리(QFLS)가 향상되며 전압 손실을 줄일 수 있었다.

*올리고머: 고분자보다 작고 단순한 구조의 분자로, 원하는 기능을 가진 얇은 층을 형성할 때 유리하다.

*트라이아릴아민 테트라머(TAA-tetramer): 정공 수송 특성을 갖는 트라이아릴아민(TAA) 단위 구조를 4개 연결한 올리고머 형태의 분자

*정공수송층: 태양전지 내부에서 생성된 전하 중 정공을 선택적으로 이동시켜 전극으로 전달하는 중간층

*준페르미 준위 분리(QFLS): 태양전지에서 광흡수 후 전하가 분리될 때 형성되는 에너지 준위의 차이. 이 값이 클수록 효율이 높다.

연구팀이 개발한 정공수송층은 진공 증착 방식으로 제작한 페로브스카이트 태양전지에서 우수한 효율과 안정성을 동시에 구현했다. 특히, 소형뿐 아니라 대면적 소자와 모듈에서도 성능이 유지됐으며, 장시간 빛에 노출되는 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 내열성과 계면 안정성에서 높은 내구성이 확인됐다.

고려대 박혜성 교수는 “이번 연구는 전 공정 진공 증착 기반 페로브스카이트 태양전지에서 계면 최적화 전략의 실효성을 실험적으로 입증한 성과”며, “차세대 고안정·고효율 태양전지의 상용화를 위한 기술적 토대를 마련했다는 데 큰 의미가 있다”고 밝혔다. 

본 연구는 산업통상자원부 에너지기술평가원의 에너지국제공동연구사업, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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△ (왼쪽부터) 고려대 KU-KIST 융합대학원(겸 융합에너지공학과) 박혜성 교수(교신저자), 고려대 최윤성 박사(공동 제1저자), 고려대 정승온 박사(공동 제1저자)

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△[그림 2] 설명: 대면적(25 cm2) 단일 소자(상) 및 모듈(중)과 효율 비교표(하)