부산대 연구팀, 페로브스카이트 태양전지 효율·내구성 잡았다…차세대 접착층 기술 개발

부산대·경상국립대·아주대 연구팀, 접착층 소재로 신규 계면접착층 기술개발

전자결핍성 분자접착제, 상용화 걸림돌 해결… 다양한 적용 가능한 범용 기술

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지(PSCs)의 고질적 문제였던 효율 저하와 내구성 한계를 동시에 개선할 수 있는 신규 계면 접착층 기술을 개발했다.

부산대학교(총장 최재원)는 12일 나노에너지공학과 서지연 교수 연구팀이 경상국립대 김윤희 교수, 아주대 권오필 교수 연구진과 함께 전자결핍성 분자접착제(Electron-deficient intermolecular adhesives, EDIAs)를 개발해 PSCs의 광전 변환 효율과 장기 안정성을 크게 향상시켰다고 밝혔다.

서지연 교수, 김윤희 교수, 권오필 교수, 정경호 석사과정생, 이경석 박사. 부산대 제공

페로브스카이트 태양전지는 가볍고 유연한 박막 구조에 높은 변환 효율을 지녀 신재생에너지 분야에서 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 유연 소자나 실리콘-페로브스카이트 적층형 태양전지 등 다양한 응용 가능성을 보유하고 있으나, 전자수송층인 풀러렌(C60)과 광활성층인 페로브스카이트 간 결합력이 약하다는 치명적 한계가 있었다.

기존 전자수송층은 반데르발스 상호작용에 의존해 기계적 충격이나 열 스트레스에 취약하고, 이로 인해 소자의 성능과 수명이 저하되는 문제가 있었다.

서 교수팀은 이에 대해 페로브스카이트 박막과 풀러렌 계면에 전자결핍 아렌 작용기, 소수성 부동태화 작용기, 2차 앵커링 작용기를 포함한 EDIAs 분자막을 삽입하는 방식으로 해법을 제시했다.

이 분자접착제는 계면 결합력을 대폭 향상시키는 동시에, 풀러렌이 전자결핍 구조에 강하게 결합되도록 해 전자 이동 경로를 최적화한다. 연구진은 X선 광전자 분광법(XPS)과 자외선 광전자 분광법(UPS)을 통해 이 같은 메커니즘을 입증했다.

실험 결과 해당 기술이 적용된 PSC는 기계적 스트레스 하에서도 균열 발생이 크게 줄었으며, 기존 소재 대비 우수한 전기적 성능과 내구성을 보였다. 특히 NDI-C9-Ace 소재는 2차 앵커링 작용기인 아세틸 그룹을 포함해 박막의 균일성과 전자 수송 특성을 동시에 향상시켰다. 반면 긴 탄소 사슬을 지닌 NDI-C11은 오히려 풀러렌과의 결합을 방해해 효과가 떨어졌다.

서지연 교수는 "이번 연구는 하나의 소재로 다기능성 박막을 구현한 기술로 단일 PSC는 물론 유연 태양전지나 적층형 소자까지 폭넓게 적용될 수 있는 범용 플랫폼으로 활용할 수 있다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 'Journal of Energy Chemistry' 4월 18일 자 온라인판에 게재됐으며, 오는 9월호에 정식 출판될 예정이다.

이 연구는 산업통상자원부와 한국기술진흥원의 한-스위스 국제공동기술개발사업, 과학기술정보통신부·교육부 산하 한국연구재단의 기초과학연구사업 및 램프사업의 지원을 받아 수행됐다.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr