GIST 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 성능 개선법 제안

[아시아경제 호남취재본부 이관우 기자] 광주과학기술원(지스트, GIST)는 신소재공학부 이광희 교수와 융합기술제학부 김희주 교수 연구팀이 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 이온을 활용해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이는 방법을 찾았다고 28일 밝혔다.

연구팀은 양쪽성이온(zwitterion) 첨가제를 통해 유·무기 복합 페로브스카이트 내부 결함의 부동태화를 통해 페로브스카이트 태양전지 성능을 높일 수 있음을 확인했다.

유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 용액공정이 가능하며 얇고 가벼우면서 25%가 넘는 고효율의 소자 성능으로 인해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만 유·무기 복합 페로브스카이트 물질 자체의 결함으로 인한 소자의 성능이 감소하는 문제가 있어 고성능의 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위해서는 결함제어가 필수적이다.

페로브스카이트 물질 내부의 결함은 전하를 띄고 있으며, 이 전하는 크게 양성(positive electric charge)과 음성(negative electric charge)으로 나뉜다.

이를 제어하기 위해 한 가지 전하 혹은 비공유 전자 쌍을 가지는 물질을 이용하여 부동태화하는 방법이 널리 알려져 있지만 한 종류의 전하만을 부동태화 할 수 있는 것이 한계였다.

연구팀은 한 가지 분자에 양이온과 음이온이 동시에 존재하는 양쪽성 이온의 대표적인 아미노산에 집중했으며, 그 중 간단하면서 페로브스카이트 물질의 전구체와 비슷한 L-알라닌(L-alanine)을 사용했다.

L-알라닌을 페로브스카이트 물질의 첨가제로 사용해 물질 내부의 결함 부동태화 및 결정립 증가를 확인했으며, 태양전지 소자 효율이 기존 18.3%에서 20.3%로 증가함도 발견됐다.

이러한 소자 효율의 향상을 광 발광 분광법과 시간 관련 단광자 계산 기법을 통해 페로브스카이트 물질의 비방사 재결합(nonradiative recombination) 저해로 인한 것임을 확인했으며, 특히 광 발광 수명이 10배 이상 증가했다.

또한 공간 제한 전류 측정을 통해 내부 결함의 감소를 측정했으며, 저온에서의 전도도 측정 분석으로 양쪽성이온이 페로브스카이트 내부의 이온 이동(ion migration)을 저해시키는 것을 확인했다.

이광희 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 태양전지로 주목받고 있는 유·무기 혼합 페로브스카이트 태양전지 개발에 있어 반드시 해결해야 할 물질 내부의 결함 문제를 간단한 하나의 양쪽성이온 분자로 해결할 수 있는 새로운 원리를 제시했다”면서 “이는 태양전지 분야뿐만 아니라 유·무기 혼합 페로브스카이트를 사용하는 여러 반도체 소자(발광다이오드, 트랜지스터, 광센서 등)에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

호남취재본부 이관우 기자 kwlee719@asiae.co.kr