에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀, 차세대 탠덤 태양전지 고효율 기술 개발
에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 표면을 정밀하게 재설계하는 새로운 기술을 개발하고, 이를 적용한 탠덤(적층형) 태양전지에서 24.2%의 광전변환효율과 2.58 V의 높은 개방전압을 달성했다.
태양전지 효율을 끌어올리는 가장 유력한 방법은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 소자를 층층이 쌓아 올리는 '탠덤 구조'다. 이때 맨 위층에는 짧은 파장의 빛을 흡수하는 '초광대역 밴드갭' 소재가 필요한데, 2.0 eV급 페로브스카이트가 바로 그 후보다. 높은 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 표면 결함과 에너지 준위 불일치 탓에 전압 손실과 낮은 안정성이라는 고질적 한계를 안고 있었다.
기존 해법도 한계가 뚜렷했다. 대표적인 표면 처리법(PEACl)은 결함은 줄이지만 전기가 잘 통하지 않는 층을 만들어 전하 이동을 방해했고, 반대로 반응성이 강한 물질을 쓰면 표면이 손상돼 성능이 오히려 나빠졌다. "결함을 막으면 전하가 안 흐르고, 전하를 살리면 결함이 남는" 딜레마였다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 '인-시투 용액 복합화(ISC)' 전략을 제안했다. 표면에 물질을 그대로 덧바르는 대신, 용액 안에서 두 물질(PEACl과 EDA)을 미리 반응시켜 적절한 세기로 조절된 상태로 표면에 작용하게 하는 방식이다.
그 결과 페로브스카이트 표면의 불안정한 결함이 선택적으로 제거되고, 표면이 안정적인 구조로 재구성됐다. 정밀 분석 결과, 재구성된 표면은 전자는 잘 빠져나가되 정공은 되돌아오지 못하도록 하는 '일방통행' 구조를 형성해, 전압 손실의 주원인이던 재결합을 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다.
이 기술을 적용한 2.0 eV 단일접합 소자는 15.7%의 효율과 1.41 V의 개방전압, 0.842의 높은 충진율을 기록했다. 초광대역 밴드갭 소재는 흡수하는 빛의 범위가 좁아 단독 효율은 낮게 나오지만, 탠덤 상부전지로 쓰일 때 진가를 발휘한다. 실제로 연구팀이 이 소자를 1.5 eV 하부전지와 결합해 만든 전(全)페로브스카이트 탠덤 태양전지는 24.2%의 효율과 2.58 V의 개방전압을 달성했다.
안정성 면에서도 성과가 뚜렷했다. ISC 처리 소자는 태양광과 동일한 세기의 빛을 100시간 연속 조사한 뒤에도 초기 효율의 85% 이상을 유지했다. 페로브스카이트의 대표적 열화 원인인 이온 이동과 광유도 상분리가 함께 억제된 결과다.
강동원 교수는 "이번 연구는 초광대역 밴드갭 페로브스카이트의 고질적인 표면 결함과 에너지 정렬 문제를 동시에 해결한 사례"라며, "고전압·고안정성 상부전지 기술을 확보함으로써 페로브스카이트/실리콘 삼중접합 태양전지 등 차세대 고효율 태양전지의 실용화 가능성을 높였다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.
이번 연구는 윤새몬 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 재료 분야 세계적 권위 학술지 《Advanced Functional Materials》(IF 19.9, JCR Q1)에 게재됐다. (논문명: "In-Situ Solution Complexation for n-Type Surface-Energetics Reconstruction in 2.0 eV Ultra-Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells", DOI: 10.1002/adfm.202532139) 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 한우물파기 기초연구, 해외우수기관 협력허브 구축사업의 지원으로 수행됐다.
태양전지 효율을 끌어올리는 가장 유력한 방법은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 소자를 층층이 쌓아 올리는 '탠덤 구조'다. 이때 맨 위층에는 짧은 파장의 빛을 흡수하는 '초광대역 밴드갭' 소재가 필요한데, 2.0 eV급 페로브스카이트가 바로 그 후보다. 높은 전압을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 표면 결함과 에너지 준위 불일치 탓에 전압 손실과 낮은 안정성이라는 고질적 한계를 안고 있었다.
기존 해법도 한계가 뚜렷했다. 대표적인 표면 처리법(PEACl)은 결함은 줄이지만 전기가 잘 통하지 않는 층을 만들어 전하 이동을 방해했고, 반대로 반응성이 강한 물질을 쓰면 표면이 손상돼 성능이 오히려 나빠졌다. "결함을 막으면 전하가 안 흐르고, 전하를 살리면 결함이 남는" 딜레마였다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 '인-시투 용액 복합화(ISC)' 전략을 제안했다. 표면에 물질을 그대로 덧바르는 대신, 용액 안에서 두 물질(PEACl과 EDA)을 미리 반응시켜 적절한 세기로 조절된 상태로 표면에 작용하게 하는 방식이다.
그 결과 페로브스카이트 표면의 불안정한 결함이 선택적으로 제거되고, 표면이 안정적인 구조로 재구성됐다. 정밀 분석 결과, 재구성된 표면은 전자는 잘 빠져나가되 정공은 되돌아오지 못하도록 하는 '일방통행' 구조를 형성해, 전압 손실의 주원인이던 재결합을 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다.
이 기술을 적용한 2.0 eV 단일접합 소자는 15.7%의 효율과 1.41 V의 개방전압, 0.842의 높은 충진율을 기록했다. 초광대역 밴드갭 소재는 흡수하는 빛의 범위가 좁아 단독 효율은 낮게 나오지만, 탠덤 상부전지로 쓰일 때 진가를 발휘한다. 실제로 연구팀이 이 소자를 1.5 eV 하부전지와 결합해 만든 전(全)페로브스카이트 탠덤 태양전지는 24.2%의 효율과 2.58 V의 개방전압을 달성했다.
안정성 면에서도 성과가 뚜렷했다. ISC 처리 소자는 태양광과 동일한 세기의 빛을 100시간 연속 조사한 뒤에도 초기 효율의 85% 이상을 유지했다. 페로브스카이트의 대표적 열화 원인인 이온 이동과 광유도 상분리가 함께 억제된 결과다.
강동원 교수는 "이번 연구는 초광대역 밴드갭 페로브스카이트의 고질적인 표면 결함과 에너지 정렬 문제를 동시에 해결한 사례"라며, "고전압·고안정성 상부전지 기술을 확보함으로써 페로브스카이트/실리콘 삼중접합 태양전지 등 차세대 고효율 태양전지의 실용화 가능성을 높였다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.
이번 연구는 윤새몬 박사후연구원이 제1저자로 참여했으며, 재료 분야 세계적 권위 학술지 《Advanced Functional Materials》(IF 19.9, JCR Q1)에 게재됐다. (논문명: "In-Situ Solution Complexation for n-Type Surface-Energetics Reconstruction in 2.0 eV Ultra-Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells", DOI: 10.1002/adfm.202532139) 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 기초연구실 지원사업, 한우물파기 기초연구, 해외우수기관 협력허브 구축사업의 지원으로 수행됐다.