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GIST(지스트, 총장 문승현) 신소재공학부 이광희 교수 연구팀 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지* 소자의 낮은 재현성 원인을 규명하고 에너지 전환효율 및 재현성이 우수한 태양전지개발했다고 밝혔다.

* 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지

·무기복합 페로브스카이트 태양전지는 용액공정이 가능하여 쉬운 소자 제작공정과 에너지 전환효율이 20%가 넘는 높은 소자 성능으로 인해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 유·무기복합 페로브스카이트 박막 내부의 결함들은 제작 환경에 민감하게 변하기 때문에 페로브스카이트 태양전지 성능의 낮은 재현성을 초래하고 이는 상업화에 있어 큰 걸림돌이 되고 있다.

최근 페로브스카이트 박막 내의 구조적 결함을 최소화할 수 있는 다양한 방법들이 보고되고 있으며, 소자 성능의 재현성 문제에 대한 근원적인 접근과 이에 대한 해결책이 필요하다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 재현성(reproducibility)* 문제의 원인에 대해 기존 연구와 달리 ·무기 복합 페로브스카이트 층이 형성될 때 발생되는 구조적 결함(defects)**의 밀도 및 분포가 광전하 수집율***을 저하시키는 요인이며, 특히 태양전지 내에서 광전하에 작용하는 전기력이 약할 경우 구조적 결함의 상대적인 영향력이 커져서 소자의 성능 및 재현성이 저하될 수 있다는 것을 최초로 밝혔다.

* 재현성(reproducibility): 태양전지 소자 성능의 균일성

** 구조적 결함(defect): 원자의 주기적인 배열로 이루어진 페로브스카이트 결정에서 원자 배열의 주기성이 깨지는 부분(vacancies, grain boundaries )

*** 광전하 수집율: 빛에 의해서 페로브스카이트 층에 형성된 전자와 정공들이 전극으로 수집되는 효율

뿐만 아니라 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 소자 성능의 낮은 재현성 문제를 해결하기 위해 소자 내부에 전기장(built-in electric field)*을 강화시킬 수 있는 전기쌍극자 기반의 공액고분자 전해질**을 페로브스카이트 층과 두 전극 사이에 각각 도입하여 페로브스카이트 층에 인가되는 전기장의 세기를 강화시켰으며, 그 결과 소자의 에너지 전환효율이 약 20%를 달성함과 동시에 소자 간의 성능 편차를 1/2 수준으로 낮춤으로써 페로브스카이트 태양전지의 재현성을 획기적으로 향상시키는 가능성을 제시하였다.

* 전기장(built-in electric field): 페로브스카이트 층에 형성되어 전자와 정공을 각각의 전극으로 수집하는 원동력임

** 공액 고분자 전해질: 단일 결합과 이중 결합이 교차적으로 있는 주 사슬과 양이온-음이온 쌍이 붙어 있는 곁 사슬로 이루어진 유기물로, 유기전자소자에서 전극과 유기물 사이에 도입되어 계면의 저항을 낮춰주고 효율적인 전하의 수송을 도와주는 계면 물질로 사용되고 있음

이광희 교수이 연구성과는 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 재현성 저하 원인을 히고, 이를 계면 공학적 방법으로 해결하여 소자의 재현성을 약 2배 향상시켰으, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 있어 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

연구는 한국연구재단과 미래창조과학부의 기후변화대응기술개발 사업, 글로벌연구실 사업, 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원의 신재생에너지핵심기술 사업 및 GISTGRI 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 환경과학 분야 최고 권위의 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science, IF: 29.518)57()자로 게재되었다. <>

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