부산대 진성호교수팀, 태양전지 수명높이는 새 물질 개발

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업의 지원을 받은 진성호(부산대)교수·노용영(동국대)교수·송명관(재료연구소)박사 등 공동연구팀이 태양전지의 광전환 효율과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면제어 물질을 개발했다고 13일 밝혔다.

계면제어 물질은 페로브스카이트 및 유기태양전지에서 광활성층과 전극 사이에서 전자들의 이동을 제어하는 물질이다. 페로브스카이트는 구성 원자에 따라 부도체·반도체·도체의 성질 및 초전도 현상을 보이는 금속산화물이다.

페로브스카이트 및 유기 태양전지는 태양빛을 받아 자유전자(-)와 홀(+)을 생성하고 이들이 각각 전자전달체와 홀 전도체를 통해 전극으로 이동하여 전기를 생산하는 소자이다.

특히 페로브스카이트 태양전지는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도 차이가 크기 때문에 히스테리시스가 발생해 효율이 급격히 감소한다. 히스테리시스는 전류 측정방법에 따른 결과에 차질이 날 경우를 말한다.

연구팀은 이 문제점을 해결하기 위해 저온공정이 가능한 산화아연(ZnO) 전자 전달층 위에 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드를 결합한 새로운 계면제어 물질을 대기 중에서 박막코팅을 실시했다. 그 결과 산화아연(ZnO)의 전자 이동도가 2배 증가했다. 특히 페로브스카이트 태양전지에서 효율 감소의 원인인 히스테리시스가 전혀 없고, 광활성층과 산화아연층 사이에 계면제어 물질을 도입해 수분과 산소를 차단할 수 있어 소자의 수명이 1.5배 이상 우수하게 나타났다.

이 연구에서 개발된 계면제어 물질을 연구팀은 PO-TAZ(피오타즈)라고 명명했다. 피오타즈는 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드 분자 간 결합을 잘하기 위해 매개체인 다이플로로벤젠 그룹을 도입했다. 특히 계면제어물질은 간단한 공정을 통해서 고품질의 필름을 형성할 수 있으며, 전자 이동도를 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.

계면제어 물질을 사용해 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과 광전환 효율이 13.6%에서 16.23%로 향상됐으며, 히스테리시스가 존재하지 않는 전류-전압 곡선을 얻었다. 또한 소자의 수명도 40일이 지나더라도 초기효율 대비 85% 이상을 보여주었다. 또한 유기태양전지에서도 광전환 효율이 8.55%에서 10.04%로 향상됐다.

진성호 교수는 “이번 연구는 비교적 저렴하면서도 간단한 공정으로 히스테리시스가 없는 장수명 페로브스카이트 및 유기 태양전지를 개발한 것”이라며 “향후 차세대 태양전지 및 유기발광다이오드, 유기박막트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자들의 특성 향상 및 수명 향상에 기여 할 수 있을 것” 이라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 에너지·환경 분야 권위 있는 국제 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스’ 최근호에 게재됐다.

부산=윤봉학 기자 bhyoon@kmib.co.kr