고려대, 납 없는 친환경 태양전지 상용화에 한걸음

라디칼 제거제 활용한 산화 억제 및 계면 구조 안정화 기술 개발

△ TEMPOL 분자 구조(좌), 주석 페로브스카이트 태양전지 모식도(중) 및 단면 이미지(우)

고려대학교(총장 김동원) 융합에너지공학과 박혜성 교수 연구팀이 주석(Sn) 기반 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 계면 제어 기술을 개발했다.

*주석(Sn) 기반 페로브스카이트: 납(Pb)을 대신해 독성이 적은 주석을 사용하는 친환경 소재

*페로브스카이트 태양전지: 특수 결정구조를 가진 소재로 만들어진 태양전지

본 연구 성과는 에너지 및 환경 분야에서 저명한 국제 학술지 ‘Energy & Environmental Science(IF=32.4, JCR 상위 0.3%)’ 온라인에 5월 7일 게재됐다.

*논문명: Radical scavenger-driven oxidation prevention and structural stabilization for efficient and stable tin-based perovskite solar cells

*DOI: 10.1039/D5EE00735F

*URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ee/d5ee00735f

주석 기반 태양전지는 환경에 유해한 납을 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있지만, 산화되기 쉬워 태양전지의 효율과 수명이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 또한, 주석계 페로브스카이트와 함께 사용되는 정공수송층 소재 ‘PEDOT:PSS’는 공기 중 산소와 습기에 약하기 때문에 장시간 안정적인 작동이 어렵다는 단점이 있다.

연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 템폴(4-hydroxy-TEMPO, TEMPOL)이라는 라디칼 제거제를 계면에 삽입하여 산화 방지 및 구조 안정화를 동시에 구현했다. 템폴은 산소나 자외선 등으로부터 생기는 라디칼을 제거함으로써 주석의 산화를 억제하고, 페로브스카이트 결정 성장을 제어하여 균일한 박막 구조를 유도했다.

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

*PEDOT:PSS: 높은 전도성과 박막 형성 특성으로 널리 사용되는 고분자 정공수송층 소재

*템폴(4-hydroxy-TEMPO, TEMPOL): 산화성 라디칼과 반응하여 이들의 활성을 낮추는 항산화성 분자

*라디칼(radical): 하나 이상의 홀전자를 가진 화학종으로 활성화 에너지가 낮아 반응성이 큼.

템폴을 도입한 태양전지는 효율이 11.08%에서 13.42%로 크게 향상됐으며, 장시간 빛과 공기에 노출되는 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 우수한 내구성을 입증했다.

고려대 박혜성 교수는 “이번 연구는 주석계 태양전지에서 가장 큰 난제로 여겨졌던 산화 안정성과 계면 결함 문제를 동시에 해결할 수 있는 접근법을 제시한 것”이라며 “납 없는 차세대 태양전지 개발을 위한 실질적인 기술적 기반을 마련한 데 의미가 있다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업, 개인기초연구 중견연구자지원사업과 산업통상자원부가 추진하는 에너지기술평가원 에너지국제공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

[그림1]

△ (왼쪽부터) 고려대 융합에너지공학과 박혜성 교수(교신저자), 고려대 정승온 박사(제1저자)

[그림2]

△ 페로브스카이트 박막 결정성(좌), 태양전지 효율(중) 및 안정성(우)