차세대 태양전지로 주목받고 있는 ‘페로브스카이트 태양전지’* 상용화를 위한 선결과제로 놓인 장기 안정성(long-term stability) 확보와 광전효율 향상을 위한 기초 연구가 한국·스위스 국제 공동연구팀에 의해 이뤄져 최근 국제학술지에 발표됐다.

* 페로브스카이트 태양전지: 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지. ‘페로브스카이트(Perovskite)’는 ABX₃ 구조를 갖는 대부분의 물질을 칭한다.

부산대학교(총장 차정인)는 나노에너지공학과 서지연 교수가 스위스 로잔공대(EPFL) 마이클 그라첼(Michael Grätzel) 교수 및 프리부르 대학(University of Fribourg) 조바나 밀릭(Jovana Mili?) 교수 공동 연구진과 함께 페로브스카이트 태양전지의 대표적인 정공전달물질*인 스파이로 물질(Spiro-OMeTAD)에 첨가되는 도판트**의 작동 기작을 규명했다고 17일 밝혔다.

이를 통해 기존 도판트 대비 향상된 광전 효율(22%)과 안정성을 확보하는 데 성공했다.

* 정공전달물질: ‘전자’는 음전하를 갖는 소립자이며, ‘정공’은 전자의 빈자리로, 양의 전하를 띈 입자와 같은 역할을 하는 가상의 입자다. ‘정공전달물질’은 광활성층인 페로브스카이트로부터 정공을 전달받아 양극으로 이동시켜주는 물질이다. Spiro-OMeTAD는 고효율의 페로브스카이트 태양전지, 연료감응태양전지에서 주로 사용되고 있는 정공전달물질이다.

** 도판트(dopant): 첨가되는 물질에 의해 특징이 지어지는 ‘불순물 반도체’를 제조하는 과정에서 p형(전자>정공) 또는 n형(전자<정공)으로 정하기 위해 극미량으로 첨가하는 물질. p형 도판트는 반도체의 정공전도도를 향상, n형 도판트는 반도체의 전자전도도들 향상시킨다.

우수한 전기적·광학적 특성을 가진 페로브스카이트 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 태양전지의 한 종류로서 빛을 받아 전류를 발생하는 광활성층이 페로브스카이트 물질로 이루어진 전지를 말한다. 페로브스카이트층은 전자전달층과 정공전달층 사이에 위치한다. 전자전달층은 페로브스카이트에서 형성된 전자를 음극으로, 정공전달층은 정공을 양극으로 원활하게 전달하는 역할을 한다.


고효율 페로브스카이트 태양전지에 사용되고 있는 대표적인 정공전달물질로는 스파이로 물질(Spiro-OMeTAD)이 있다. 스파이로 물질의 정공전도도를 높이기 위해서는 정공 형성을 위해 p형 도판트를 첨가하게 되는데, 주로 리튬 이온염인 Li-TFSI가 독보적으로 사용되고 있다. 하지만 리튬 이온의 흡습성(hygroscopic)과 불안정성은 태양전지의 장기 안정성을 저하시킨다는 단점이 있다.

페로브스카이트 태양전지가 빛을 받아 만든 양전자 입자(정공)를 나르는 정공수송층과 페로브스카이트 층으로 확산돼 존재하는 리튬이온이 대기의 수분도 흡수하도록 유도해 페로브스카이트 물질의 변질을 초래함으로써 성능을 떨어뜨리는 것이다.

이에 공동 연구팀은 안정성을 가지면서 습도에 취약하지 않은, 리튬을 대체할 수 있는 양이온을 포함한 도판트를 찾기 위해 M(TFSI)n (M = Li+, Zn2+, Cu2+, Ca2+, and Sc3+)*에 대해 전자 상자기 공명법(EPR)과 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry)을 이용해 M(TFSI)n 도판트에서 양이온의 역할을 규명하고, 동시에 기존 도판트 Li-TFSI 대비 향상된 광전효율 22%와 장기 안정성을 갖는 대체 물질 Zn(TFSI)₂과 Cu(TFSI)₂를 찾아 소개했다.

* TFSI(bis trifluoromethan sulfonyl imide): 트리플루오로메탄 설포닐 이미드. 화합물의 한 종류 / Li=리튬, Zn=아연, Cu=구리, Ca=칼슘, Sc=스칸듐

이 연구 결과는 향후 페로브스카이트 태양전지가 상용화를 위해 선결돼야 할 장기 안정성 및 광전효율 향상을 위한 중요한 기초 연구로 기대를 모으고 있다.

서지연 교수는 “이번 공동연구를 통해 그동안 밝혀지지 않은M(TFSI)n 도판트 양이온의 역할을 규명함으로써, 정공전달물질의 성능과 안정성을 향상할 수 있었고, 이는 앞으로 페로브스카이트 태양전지 상용화 연구에 기틀이 될 것으로 보인다”고 밝혔다.

이번 성과는 부산대 서지연 교수, 스위스 프라이브루그 대학 조바나 밀릭 교수, 세계 석학 스위스 로잔공대 마이클 그라첼 교수가 각각 교신저자로 참여한 한·스위스 간 공동연구로, 부산대 지원을 받아 이뤄졌다.

연구 논문은 소재분야 국제학술지 『어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)』 5월 13일자 온라인판에 게재됐고, 8월 6일자로 출판됐다.

논문제목은 '고효율의 페로브스카이트 태양전지를 위한 스파이로 정공전달 물질의 도판트 엔지니어링 (Dopant Engineering for Spiro-OMeTAD Hole-Transporting Materials towards Efficient Perovskite Solar Cells)'이다.
 

부산대 서지연 교수는 서동수 과장 친동생이다.